Samenvatting Fermentatie – Periode 12 – Joyce Bakker
Samenvatting Fermentatie
Inhoud
Week 1: Fermentation processes and microbial growth-kinetics ........................................................................... 2
Fermentatieprocessen ......................................................................................................................................... 2
Microbiele groeikinetiek ...................................................................................................................................... 2
Onderhoudsenergie ............................................................................................................................................. 4
Productiestammen ............................................................................................................................................... 5
Week 2: Activated carrier molecules and biosynthesis ........................................................................................... 7
Panel 3-1: Free energy and biological reactions .................................................................................................. 7
Activated Carrier Molecules ................................................................................................................................. 7
Week 3: How cells obtain energy from food.......................................................................................................... 10
The Breakdown and Utilization of Sugars and Fats............................................................................................ 10
Regulation of Metabolism .................................................................................................................................. 15
Week 4: Energy generation in mitochondria and chloroplast ............................................................................... 17
Mitochondria and Oxidative Phosphorylation ................................................................................................... 17
Molecular Mechanisms of electron transport and proton pumping ................................................................. 20
Chloroplasts and Photosynthesis ....................................................................................................................... 21
Week 5: Amino acid metabolism and Pentose phosphate pathway ..................................................................... 24
Amino acid metabolism ...................................................................................................................................... 24
Pentose phosphate pathway .............................................................................................................................. 29
1
,Samenvatting Fermentatie – Periode 12 – Joyce Bakker
Week 1: Fermentation processes and microbial growth-kinetics
Fermentatieprocessen
Fermentatie is een energie opleverend proces waarbij bepaalde organische stoffen als terminale elektronen
acceptor fungeren. Ieder proces dat leidt tot productvorming door middel van massacultivatie van micro-
organismen.
De 6 basiscomponenten van fermentatie: Formulering kweekmedium, sterilisatie van kweekmedium
fermentoren en benodigde apparatuur, opkweken voorkweek om hiermee productiefermentor aan te enten,
groei onder optimale condities voor productvorming, opwerking van geproduceerd biomolecule via down
stream processing (DSP) en afvalstromen verantwoordelijk verwijderen.
Elk fermentatieproces
heeft een fermentor
van x aantal liter.
Humaan minder liter
dan bijvoorbeeld
schimmels.
Afhankelijk van product
verschillende extractie.
Industrieel belangrijke fermentatie processen:
Productie cellen en biomassa, Productie
enzymen, Productie metabolieten, modificatie
van verbindingen (bijv. ethanol, citroenzuur..),
Recombinant technologie en GGO’s
Fermentatie is het produceren van
commercieel belangrijke biomoleculen door middel van massacultivatie van micro-organismen in een
speciaal daarvoor ontworpen kweek systeem/bioreactor/fermentor.
Onafhankelijk van het procestype is een fermentatieproces onder te verdelen in: formuleren van
kweekmedium, sterilisatie, bereiden van voorkweek, run van het fermentatieproces, opwerking van het
beoogde biomolecule en het verwerken van de afvalstromen.
De industriële microbiologie/bio procestechnologie/fermentatie kent vijf groepen van commercieel
belangrijke fermentatieprocessen.
Naast kennis over het fermentatieproces is kennis over het product/biomolecule onontbeerlijk.
Microbiele groeikinetiek
‘Je wilt iets weten en hierbij gebruik je dan een bepaalde formule, welke formule? Formules weten maar niet
rekenen. Weten wat je er mee kan. ‘ Betekenis van letters dus wel weten.
Parameters van de groei welke in aanmerking komen voor kwalitatieve en kwantitatieve observatie van de
groei tijdens het fermentatie proces zijn onder andere de biomassa, het aantal cellen, de groeisnelheid, de
groeiopbrengst (yield) en metabolische quotiënten voor het gebruik van substraat en product vorming.
Biomassa: De hoeveelheid cellen die tijdens fermentatie gevormd wordt. Deze kan uitgedrukt worden in:
celdichtheid (in aantal cellen/ml), aantal levende cellen/ml (viable count of kiemgetal genaamd), Wet Cell
Weight (WCW) en Dry Cell Weight (DCW) in g/l.
2
,Samenvatting Fermentatie – Periode 12 – Joyce Bakker
Groeisnelheid: Groei kun je definiëren als het geregeld toenemen van de biomassa/ het celaantal in de cultuur.
Onder optimale omstandigheden kunnen cellen in een staat van exponentiële groei terecht komen. Bije
xponentiele groei geldt dat de mate van toename van biomassa op ieder willekeurig tijdstip (t) rechteveredig is
met de biomassa Cx (of het celaantal CN) op tijdstip t.
De groeisnelheid: dCx/dt of dCn/dt. De specifieke
groeisnelheid: µ.
Je hoeft hiermee niet te kunnen rekenen maar moet
het wel kunnen uitleggen.
Integratie geeft:
Verdubbelingstijd: Na de verdubbelingtijd (td) ofwel generatietijd geldt dat Cx=2Cxo. Ingevuld geeft dit:
Exponentiële groei: figuur: Groeicurve van een
batchcultuur met verschillende fasen.
I: lagfase, introductie fase (aanpassingsfase waarin
de cellen zich intsellen of eponentiële groei.
II: (onbekend)
III: exponentiële groei, groeifase (korte fase, al
snel ophoping product of tekort nutriënten)
IV: ‘post logaritmische fase’
V: stationaire fase (resttoestand, nauwelijks
toename biomassa)
VI: inactivatie fase/afstervingsfase
Groeiopbrengst: (Yield van cellen op substraat.) De groeiopbrengst (Yx,s) wordt gedefineerd als de mate van
biomassatoename (deltaCx) als consequentie op het gebruik van een bepaalde hoeveelheid substraat (deltaCs).
Voor een zeer klein tijdinterval
zal gelden:
Y= biomassa nu – biomassa start / - substraat nu – substraat start.
Negatief getal, daarom -! Biomassa loopt op, substraat loopt af.
Voor een nutriënt gelimiteerde cultuur geldt dat, indien de cultuur zijn
maximale biomassa heeft bereikt (Cxm), Cs ongeveer 0 is. We kunnen
nu dus schrijven:
3
, Samenvatting Fermentatie – Periode 12 – Joyce Bakker
Metabolische quotiënt: De mate van substraatconsumptie in een cultuur wordt weergegeven door:
Cx: concentratie van biomassa.
qs: specifiek metabolisch quotiënt voor
substraatconsumptie. Bijvoorbeeld qO2 of qglu.
Quotiënt: mate van substraat consumptie. Het verbruik, hoeveel substraat omgezet.
Deze vergelijking wordt gebruikt om de
behoefte voor substraten (bijvoorbeeld
zuurstof) bij verschillende groeisnelheden te
bepalen.
Groei is de toename van biomassa in de tijd, onder geconditioneerde omstandigheden
Biomassa kan bepaald worden door technieken als (at-line) Near Infrared turbiditeit meting, cel
tellingen en (offline) kiemgetal, viable count.
De biomassa wordt bij voorkeur uitgedrukt in DCW in g/l
De specifieke groeisnelheid geeft aan hoe snel een bepaald micro-organisme groeit. Hoe hoger het
getal hoe sneller het groeit.
De deling- of verdubbelingstijd is de tijd die een cel nodig heeft om te delen
De groeiopbrengst is het aantal gram biomassa dat per gram verbruikt substraat gevormd wordt.
De metabolische quotiënt is analoog aan de enzymactiviteit. Hoe hoger de metabolische quotiënt, hoe
sneller het substraat in biomassa omgezet wordt.
Onderhoudsenergie
Snelheid substraat verbruik = snelheid substraat verbruik groei + snelheid
substraatverbruik onderhoud. De G staat voor Groei en de M voor
maintenance (onderhoud).
De hoeveelheid
substraat verbruikt per gram cellen, per uur voor het
onderhoud van de celen wordt de maintenance constante
ms (h-1) genoemd en in gebalanceerde groei zal gelden
dat:
Voor het substraatverbruik voor de groei geldt dat:
Waarin Yxs(max) de groeiopbrengst / yield van cellen op substraat is
welke men zou krijgen indien er geen substraat gebruikt zou worden
voor onderhoud.
De vergelijking kan nu herschreven worden als:
4
