Studij procesa pridobivanja enzima u rastućim stanicama pekarskog kvasca

SVEU

Č

ILIŠTE U ZAGREBU 

FAKULTET KEMIJSKOG INŽENJERSTVA I TEHNOLOGIJE 

Ana Vrsalovi

ć

 Prese

č

ki 

STUDIJ PROCESA PRIDOBIVANJA ENZIMA U 

RASTU

Ć

IM STANICAMA PEKARSKOG KVASCA 

MAGISTARSKI RAD 

Zagreb, 2003. 

UDK:

 66:663.14:663.15:681.5.015 (043.2)=862 

Znanstveno podru

č

je: 

tehni

č

ke znanosti 

Znanstveno polje:

 kemijsko inženjerstvo 

Institucija:

 Fakultet kemijskog inženjerstva i tehnologije 

Voditelj rada:

 Dr. sc. 

Đ

ur

đ

a Vasi

ć

-Ra

č

ki, red. prof. 

Broj stranica: 

98

Broj slika:

 63 

Broj tablica:

 12 

Broj literaturnih referenci:

 80 

Datum obrane:

 11.studenog, 2003. 

Sastav povjerenstva za obranu: 

1.  Dr. sc. Želimir Kurtanjek, red. prof. PBF-a 

2. Dr. sc. 

Đ

ur

đ

a Vasi

ć

-Ra

č

ki, red. prof. FKIT-a 

3.  Dr. sc. Felicita Briški, doc. FKIT-a 

Institucije u kojima je rad pohranjen: 

1.  Knjižnica Fakulteta kemijskog inženjerstva i tehnologije u Zagrebu, Maruli

ć

ev trg 

20 

2.  Nacionalna i sveu

č

ilišna biblioteka u Zagrebu, Hrvatske bratske zajednice, bb 

Sažetak 

SAŽETAK 

U ovom radu proveden je uzgoj pekarskog kvasca u kotlastom bioreaktoru Razvijen je 

matemati

č

ki model za opis proizvodnje enzima alkohol dehidrogenaze, koji se biosintetizira u 

pekarskom kvascu ovisno o uvjetima uzgoja.  

Na temelju podataka dobivenih uzgojem pekarskog kvasca pri po

č

etnoj koncentraciji 

glukoze 

c

G0

≈

 30 g dm

-3

 i mikroaerofilnim uvjetima, postavljen je nestrukturni matemati

č

ki 

model procesa. Parametri modela procijenjeni su nelinearnom regresijskom analizom 

korištenjem simpleks metode optimiranja po Nelder-Mead-u. Provedena je ocjena valjanosti 

modela tako da su rezultati simulacija procesa uz pomo

ć

 procijenjenih parametara uspore

đ

eni 

sa rezultatima pokusa, te je utvr

đ

eno njihovo slaganje. Model je validiran pri razli

č

itim 

po

č

etnim koncentracijama glukoze, te aerobnim uvjetima. Validacijom modela pri 

mikraerofilnim uvjetima, ali pri razli

č

itim po

č

etnim koncentracijama glukoze pokazano je da 

matemati

č

ki model vrijedi u rasponu po

č

etnih koncentracija glukoze 

c

G0

 = 5 – 50 g dm

-3

, dok 

pri aerobnim uvjetima predloženi model dobro opisuje nastajanje biomase, potrošnju glukoze 

te promjenu koncentracije etanola tijekom pokusa. Pri aerobnim uvjetima dobivena je manja 

volumna aktivnost enzima ADH u odnosu na koncentraciju biomase. 

Klju

č

ne rije

č

i: pekarski kvasac, enzim, alkohol dehidrogenaza, modeliranje

Abstract 

ABSTRACT 

Baker's yeast (

Saccharomyces cerevisiae

) is a very important source of different 

metabolites, especially enzymes, which is produced under different conditions

. 

In this work 

baker's yeast cultivation in the batch bioreactor was carried out for developing a mathematical 

model to describe production of enzyme alcohol dehydrogenase. Oxidoreduction enzyme 

alcohol dehydrogenase, especially important for analytical purpose, is synthesized by baker's 

yeast under special conditions. 

Two sets of baker's yeast cultivations with the initial glucose concentration of 30 g 

dm

-3

 and under microaerofillic conditions were carried out for the model development. The 

unstructured model was chosen for describing kinetic of baker's yeast growth and 

consumption of substrate. Model parameters were estimated by nonlinear regression using 

simplex method by Nelder-Mead. Comparing the results of simulation, which were done by 

using does estimated parameters, and the experimental results, statistical model evaluation 

was done. Model is validated for different initial glucose concentrations under microaerofillic 

and aerobic conditions. By model validation is shown that mathematical model is valid for the 

cultivations under microaerofillic conditions with the initial glucose concentration between 5 

– 50 g dm

-3

. Under aerobic conditions proposed model is valid for describing biomass 

production, glucose consumption and change of ethanol concentration during the experiment. 

A lower volume activity of enzyme ADH in relation to the assigned biomass concentration, 

under aerobic conditions, was observed. 

Key words: baker's yeast, enzyme, alcohol dehydrogenase, modelling  

Sadržaj 

3.1.1. 

Djelatni 

kvasac 

          42 

3.1.2. 

Hranjive 

podloge 

         42

3.1.2.1.

Podloga za izolaciju, uzgoj i 

č

uvanje kvasca   

42

3.1.2.2. Podloga za uzgoj kvasca za pripravu inokuluma 

42 

3.1.2.3. Podloga za pripravu inokuluma i uzgoj pekarskog  

kvasca 

u 

bioreaktoru 

 42

3.1.3. 

Priprava 

inokuluma 

         43 

3.2. UZGOJ PEKARSKOG KVASCA U BIOREAKTORU   

43 

3.2.1. 

Bioreaktor           43 

3.2.2. Proces proizvodnje enzima alkohol dehidrogenaze u šaržnom bioreaktoru  44 

3.2.3. Postupak uzimanja uzorka iz reaktora   

45 

3.2.4. 

Sterilizator           45 

3.2.5. 

Spektrofotometar 

         45 

3.2.6. 

Centrifuga           45 

3.2.7. 

Tresilica 

           46 

3.3. ANALITI

Č

KE 

METODE 

         46 

3.3.1. Odre

đ

ivanje 

koncentracije 

biomase 

      46 

3.3.2. Odre

đ

ivanje aktivnosti enzima ADH u stanici 

46 

3.3.3. Odre

đ

ivanje 

koncentracije 

etanola       49 

3.3.4. Odre

đ

ivanje 

koncentracije 

proteina 

      50 

3.3.5. Odre

đ

ivanje 

koncentracije 

glukoze 

      51 

4. 

MODELIRANJE 

           53 

4.1. MODELIRANJE UZGOJA PEKARSKOG KVASCA I NASTAJANJE  

ENZIMA 

ADH          53 

4.2. NELINEARNO OPTIMIRANJE PARAMETARA MODELA   

57 

4.2.1. 

Metoda 

Nelder-Meada         58 

4.3. RJEŠAVANJE DIFERENCIJALNIH JEDNADŽBI MODELA  

59 

4.3.1. 

Metoda 

Runge-Kutta 

IV 

        59 

4.3.2 

Episode 

algoritam 

         60 

5. 

REZULTATI 

I 

RASPRAVA 

         61

5.1. OPTIMIRANJE UZGOJA INOKULUMA   

62 

5.2. 

RAZVOJ 

MODELA 

          63 

5.3. VALIDACIJA MODELA PRI RAZLI

Č

ITIM PO

Č

ETNIM  

KONCENTRACIJAMA 

GLUKOZE 

       67