sylabus

Bioinženýratví II – sylabus k předmětu
BIOINŽENÝRSTVÍ II
Energetický metabolismus buněk
Vznik a přenos energie v buňce
Přeměny energie v biosféře, uvolňování energie v katabolismu, biologické redoxní systémy,
redoxní potenciál, volná energie a její změny, exergonické a endergonické reakce, změny
entropie a entalpie, vztah mezi volnou energií a rovnovážnou konstantou.
Spřažení reakcí a reakčních systémů. Spřažení exergonických a endergonických reakcí
v buňce – podmínky spřažení, konformační energie molekuly, konzervace uvolněné volné
energie, faktory ovlivňující hodnotu uvolněné volné energie, energeticky bohaté sloučeniny
v buňce, fosfageny a polyfosfáty a jejich úloha v metabolismu buněk.
Transferový potenciál fosforylovaných sloučenin, vznik a úloha
ATP, NAD(P)
Vznik ATP na substrátové úrovni, spřažení dvou katabolických reakcí, účast ATP
v syntetických reakcích, výpočet změn volné energie a účinnosti jejího využití, princip
spřažení katabolismu a anabolismu. Role NAD (P) v metabolismu – transhydrogenasová
reakce.
Charakteristika fyziologického stavu buněk z hlediska buněčné energetiky – energetický
náboj, princip regulace.
Typy kultivací buněk z hlediska spřažení katabolismu a anabolismu.
Buněčná energetika z hlediska způsobu přenosu elektronů
Proces fermentace – charakteristické vlastnosti, nefermentovatelné substráty, vlastnosti
oxido-redukčních reakcí při fermentaci, energetická bilance, účinnost konzervace uvolněné
energie, energetický zisk.
Proces aerobní respirace – charakteristické vlastnosti, mitochondriální a bakteriální
respirační řetězec – vlastnosti, odlišnosti, přenos elektronů respiračním řetězcem.
Oxidační fosforylace – charakteristika procesu, energetika přenosu elektronů, lokalizace
přenašečů, účinnost procesu, P/O poměr.
Účinnost využití uvolněné energie v procesu aerobní respirace, porovnání s procesem
fermentace.
Proces anaerobní respirace – charakteristické vlastnosti, rozbor jednotlivých typů procesů
z hlediska finálního akceptoru elektronů, energetického zabarvení procesu, fyziologických
donorů vodíku a elektronů, dráhy přenosu elektronů, enzymů podílejících se na přenosu
elektronů a jejich lokalizace, regulace procesů a jejich energetický zisk.
Respirace: nitrátu, fumarátu, tetrathionátu, sulfátu, CO2. Výskyt jednotlivých procesů
v biosféře a jejich úloha.
Regulační mechanismy vyřazující nevýhodné dráhy přenosu elektronů v buňkách majících
schopnost využít více různých finálních akceptorů elektronů.
-2Porovnání všech uvedených způsobů získávání energie z hlediska energetické výhodnosti.
Transformace, konzervace a transdukce energie v buňce
Vysvětlení jednotlivých dějů, interkonvertibilita přeměny a konzervace energie v buňce,
teorie vzniku ATP dle postupného vývoje (chemická, konformační, protonového gradientu),
funkce a působení odpřahovadel a inhibitorů procesu oxidační fosforylace.
Energetické spřažení v průběhu růstu buněk
Energetické aspekty růstu buněk.
Podmínky podmiňující účinné spřažení katabolismu se syntetickými reakcemi, funkce řídící
reakce, odlišnosti ve využití uvolněné volné energie je-li řídící reakce v katabolismu a
v anabolismu. Princip a mechanismus respirační kontroly (regulace rychlosti respirace).
Odpřažení katabolismu od růstu buněk – osud uvolněné volné energie v buňce. Faktory
ovlivňující odpřažení katabolismu od růstu (živiny, teplota kultivace, membránová ATP-asa,
některé ionty). Vnější projevy odpřažení.
Posouzení spřažení katabolismu s růstem a jeho účinnosti z experimentálních dat kultivací.
Výtěžnost YATP – definice, podmínky udržení její konstantní hodnoty.
Maintenance energie – kvantitativní určení z experimentálních dat kultivací pomocí
výtěžností nebo metabolických kvocientů YX/S, qS, YATP, qATP, qO2, YX/O2. Faktory ovlivňující
hodnotu YATP.
Endogenní metabolismus buněk – faktory ovlivňující jeho aktivitu.
Tvorba tepla v průběhu mikrobního procesu
Příčiny uvolňování tepla v průběhu kultivace buněk, význam kvantitativního určení množství
uvolněného tepla. Problémy s chlazením bioreaktorů.
Způsoby měření uvolněného tepla – mikrokalorimetrie, tepelná bilance reaktoru, výpočtem.
Stanovení uvolněného tepla ze spotřeby substrátu a tvorby produktů.
Stanovení uvolněného tepla ze spotřeby kyslíku.
Výpočet množství uvolněného tepla v průběhu kultivace buněk – vliv výtěžnosti biomasy
vztažené na spotřebovaný zdroj uhlíku a energie, vliv oxidačního stupně zdroje uhlíku a
energie, vliv produktivity procesu.
Uvolňování tepla v průběhu anaerobního růstu.
Praktické příklady s různými zdroji uhlíku a energie a důsledky nedostatečného chlazení
bioreaktorů.
Procesy a zařízení biotechnologických výrob
Bioreaktory
Rozdělení reaktorů podle různých hledisek, velikosti používaných reaktorů.
Bioreaktory s mechanickým mícháním
Reaktory s radiálním míchadlem, cirkulační reaktory s vrtulovým míchadlem a
s kombinovanými míchadly. Reaktory bez distributoru vzduchu, reaktory s násobnými
míchadly.
Vícestupňové reaktory s malým a vysokým oddělovacím efektem, reaktory s vibračním
mícháním, horizontální tubulární reaktory.
-3-
Konfigurace, významné parametry, výhody a nevýhody, praktické aplikace.
Faktory ovlivňující ekonomicky optimální návrh míchacího zařízení (technologická operace,
délka operace, investiční a provozní náklady).
Pneumaticky míchané reaktory
Reaktory s neuspořádaným prouděním kapaliny – cylindrokónický reaktor, reaktory
s trubkovými distributory vzduchu, probublávané kolony, věžové vícestupňové reaktory
s perforovanými překážkami.
Airlift reaktory – s vnitřní a vnější cirkulací, šachtové reaktory, význam perforovaných
překážek.
Konfigurace, významné parametry, výhody a nevýhody, praktické aplikace.
Reaktory s hydraulickým mícháním
Princip, odlišnost mezi hydraulickým a hydrodynamickým způsobem míchání.
Cirkulační reaktory s ponořenou tryskou – způsoby distribuce vzduchu (ejektorový,
injektorový typ), tryska vzhůru, tryska dolů.
Cirkulační reaktory s ponořeným paprskem proudu.
Reaktor s definovanou malou dodávkou kyslíku (eliminace střižných sil).
Konfigurace, významné parametry, výhody a nevýhody, praktické aplikace.
Speciální bioreaktory pro kultivace mikrobních, rostlinných a
tkáňových buněk
Membránové reaktory různých typů a konfigurací, perfusní reaktory – princip, význam,
aplikace mikronosičů, typy.
Reaktory s fluidní vrstvou – používané částice, výhody, nevýhody, praktické aplikace.
Náplňové reaktory – náplňové materiály, výhody, nevýhody, praktické aplikace.
Trickle bed reaktory – náplňové materiály, výhody, nevýhody, praktické aplikace.
Zařízení pro povrchovou kultivaci.
Zařízení pro kultivaci na tuhém substrátu.
Zařízení pro kultivaci tkáňových kultur – typy rollerů, regulace rychlosti, konstrukční detaily.
Typy třepaček – dynamicky vyvážená zařízení, problémy s instalací (hmotnost) a provozem
(hlučnost).
Speciální mechanicky míchané reaktory pro čištění kontaminovaných půd.
Bioreaktory pro výrobu vakcín a očkovacích látek (specifické požadavky).
Konstrukční materiály pro biotechnologický průmysl
Přihlédnutí ke specifickým požadavkům biologického procesu, udržení hygieny a aseptických
podmínek.
Kovové materiály – litina, oceli uhlíkové a nerezavějící, měď, hliník, titan, cín, mosaz,
bronz, speciální slitiny.
-4Kvalita povrchu, kouty, rohy, štěrbiny.
Nekovové materiály – sklo, polyethylen, polypropylen, PVC, polyamid, fluorované plasty,
polyethersulfony, akrylonitrilbutadienstyren (ABS). Pryže: vulkanizáty butylkaučuku,
ethylenpropylendicyklopentadien (EPDM), vulkanizáty styrenbutadienu (SBR), neopren,
vulkanizáty nitridového kaučuku, silikonová pryž, fluorovaná pryž (Viton). Keramické
materiály, dřevo.
Konstrukce bioreaktorů
Tvar reaktoru, míchací a aerační zařízení, pohon a regulace frekvence otáčení míchadla,
magnetické spojky, mechanické ucpávky hřídele míchadla, utěsnění pohonu vibračního
míchadla, tubusy pro vložení elektrod a jejich umístění, pro vstup louhu, kyseliny, pro
inokulaci, zařízení pro odběr vzorků, snižování odparu z reaktoru, řešení vstupu živného
média do reaktoru, řešení přívodu aeračního vzduchu do distributoru, typy distributorů
vzduchu, řešení vypouštěcího potrubí a průlezu, zabránění úniku aerosolu (s buňkami) a
pachů z bioreaktoru – hledisko bezpečnosti (výstupní filtr).
Měření a regulace provozu bioreaktorů
Požadavky kladené na měřící a regulační přístroje v provozních podmínkách.
Objem kultivačního média v reaktoru a zásobnících (aseptické, neaseptické podmínky).
Tlak, průtoky vzduchu a kapalin.
Frekvence otáčení a příkon míchadla, typy pohonů. Teplota.
Odpěňování – chemické metody, mechanické odpěňovače.
Rheologické vlastnosti mikrobiálních suspenzí.
pH média.
Redox potenciál, tense rozpuštěného kyslíku, tense rozpuštěného CO2.
Analyzátory O2 a CO2 v plynech.
Turbidita, koncentrace iontů, enzymové elektrody.
Celková koncentrace tuhé fáze (total suspended solids).
Celková koncentrace organického uhlíku (TOC).
V jednotlivých případech uvedeny principy měření, typy používaných čidel, princip regulace
včetně akčních členů.
Speciální zařízení
Armatury (ventily, šoupátka, kohouty, pojistné ventily, zpětné klapky) pro aseptické a
neaseptické části výrob. Redukční ventily a regulátory tlaku vzduchu, solenoidové ventily
(tlačkové), jehlové regulační ventily.
Potrubní spojení, druhy těsnění.
Čerpadla pro neaseptické a aseptické podmínky (objemová, dávkovací, syringe pumps) –
vysvětlení a popis různých typů.
Přípravné operace a zařízení biotechnologických výrob.
Uskladnění a manipulace se surovinami.
Příprava vzduchu pro bioreaktor – sání vzduchu, kompresorovna, rozvodné potrubí,
předfiltr, sterilační filtr, měření a regulace průtoku vzduchu.
Příprava kultivačního média – doprava a dávkování surovin, rozpouštěcí nádrže a
mezizásobníky, doprava do bioreaktoru. Odlišnosti při použití zemědělských surovin a
chemicky čistých látek. Homogenizace v průběhu dopravy (statické mísiče).
-5Sterilace kultivačního média a zařízení – pro batch a kontinuální procesy. Definice
základních pojmů. Výpočet.
Sterilace vzduchu pro výrobu a pro výrobní haly – typy filtrů.
Čištění a sanitace výrobních strojů a zařízení.
Větrání, vytápění a úprava vzduchu pro laboratoře a výrobní haly.
Voda technologická a technická – okruh chladící vody, problémy při provozu. Nároky
kladené na technologickou vodu.
Příprava inokula – popis a význam propagační stanice. Očkování sporami.
Dokončovací operace a zařízení biotechnologických výrob.
Dezintegrace buněk – mechanické a nemechanické způsoby. Popis jednotlivých metod,
výhody, nevýhody, dodávaná aseptická zařízení.
Filtry a odstředivky – typy, funkce, aplikace.
Odparky a kondenzátory – typy, funkce, aplikace.
Sušárny – typy, funkce, aplikace.
Destilační zařízení – vnitřní vybavení kolon, konstrukce kolony, vařáky, kondenzátory,
příslušenství kolon.
Metody stabilizace produktu.
Doporučená literatura:
Rychtera M., Uher J., Páca J.: Lihovarství, drožďářství a vinařství, skriptum VŠCHT, SNTL,
Praha 1991
Sikyta B.: Metody technické mikrobiologie, SNTL, Praha 1978
Kaprálek F.: Fyziologie bakterií, SNP, Praha 1986
Weide H., Páca J., Knorre W. A.: Biotechnologie, Fischer Verlag, Jena 1991
Horák J., Kotyk A., Sigler K.: Biochemie transportních popochodů, Academia Praha, 1984
Krumphanzl V., Řeháček Z.: Mikrobiální technologie, Academia, Praha 1987
Cudlín J.: Vybrané metody v mikrobiologii, Academia, Praha 1981
Páca J.: Kvasný průmysl č. 1,3-7,10,11 (1987)
Páca J.: Kvasný průmysl č. 2,3 (1990)