Moderne Biotechnologie van cel naar fabriek 6 vwo DvD-bijeenkomst Moderne Biotechnologie & Bionanowetenschappen 24 maart 2011
Ontwikkelteam 2008-2010 Coach Coach: Aonne Kerkstra Docenten Ingeborg de Kooter (Chr. Lyceum Delft) Dirk Hillenga (Grotius College Delft) Juleke van Rhijn (Coornhert Gymnasium Gouda) Sander Haemers (Stanislas College Pijnacker) Daan Robeerst (LST student TU Delft) Experts WO: - TUDelft, Leiden univ. Bedrijven:- PURAC, DuPont (en Goodyear)
Hoofdstukindeling module 1 Inleiding 2 Bacteriën 3 Biosynthetische routes (de cel als fabriek) 4 Klassieke biotechnologie: De melkzuurfabriek 5 Moderne biotechnologie: De productie van 1,3-propaandiol Verdiepende hoofdstukken 6 Gibbs energie 7 Gibbs energie en de dissimilatie van glucose
Inhoud (totale)module: concepten en vaardigheden * 1) Scheidingsmethoden 2) Polariteit/oplosbaarheid 3) (verdelings)evenwichten 4) Zuren en basen 5) Chemisch rekenen (massaverhoudingen) 6) Blokschema s 7) Organische chemie 8) Stereochemie 9) Polymeerchemie 10) Industriële chemie 11) Informatieverwerking
Volledige module Les 8 Les 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 H1: Inleiding: context vragen H2: Bacteriën en membraantransport H3: bacterie als fabriek H3: bacterie als fabriek H4: Synthese melkzuur H4: Zuivering melkzuur opdracht Route 1 Route 2 Route 3 Route 4 Route 5 Route 1 Route 2 Route 3 Route 4 Route 5 H4: synthese PLA Route -1 Route 6 Route 7 Opdracht H4: Oefenopgaven H5: Synthese 1,3-propaandiol 1 2 3 4 5 6 7 8 9 H5: Oefenopgaven H6: Gibbs energie H6: Gibbs energie H7: Gibbs energie dissimilatie glucose H7: Gibbs energie dissimilatie glucose
Variant 1 Light met polymeerchemie Les 8 Les 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 H1: Inleiding: context vragen H2: Bacteriën en membraantransport H3: bacterie als fabriek H3: bacterie als fabriek H4: Synthese melkzuur H4: Zuivering melkzuur opdracht Route 1 Route 2 Route 3 Route 4 Route 5 Route 1 Route 2 Route 3 Route 4 Route 5 H4: synthese PLA Route -1 Route 6 Route 7 Opdracht H4: Oefenopgaven H5: Synthese 1,3-propaandiol 1 2 3 4 5 6 7 8 9 H5: Oefenopgaven H6: Gibbs energie H6: Gibbs energie H7: Gibbs energie dissimilatie glucose H7: Gibbs energie dissimilatie glucose Les 8 Les 9 0 1 2 Light met polymeerchemie
Varianten 2 en 3 Light zonder polymeerchemie en/of H1: Inleiding: context vragen H2: Bacteriën en membraantransport H3: bacterie als fabriek H3: bacterie als fabriek H4: Synthese melkzuur H4: Zuivering melkzuur opdracht Route 1 Route 2 Route 3 Route 4 Route 5 Les 8 Route 1 Route 2 Route 3 Route 4 Route 5 Les 9 H4: synthese PLA Les 8 0 Route -1 Route 6 Route 7 Opdracht Les 9 1 H4: Oefenopgaven Les 8 0 2 H5: Synthese 1,3-propaandiol Les 9 1 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 H5: Oefenopgaven H6: Gibbs energie H6: Gibbs energie H7: Gibbs energie dissimilatie glucose 0 Light zonder polymeerchemie 2 Light met polymeerchemie Biotechnologie zonder industriële chemie 8 H7: Gibbs energie dissimilatie glucose
Varianten 4 en 5 Melkzuur en verdieping evenwichten H1: Inleiding: context vragen H2: Bacteriën en membraantransport H3: bacterie als fabriek H3: bacterie als fabriek H4: Synthese melkzuur H4: Zuivering melkzuur opdracht Route 1 Route 2 Route 3 Route 4 Route 5 Les 8 Route 1 Route 2 Route 3 Route 4 Route 5 Les 9 0 1 2 3 4 5 6 7 H4: synthese PLA Route -1 Route 6 Route 7 Opdracht H4: Oefenopgaven H5: Synthese 1,3-propaandiol 1 2 3 4 5 6 7 8 9 H5: Oefenopgaven H6: Gibbs energie H6: Gibbs energie H7: Gibbs energie dissimilatie glucose Les 8 Les 9 0 Light zonder polymeerchemie Les 8 Ultra light zonder Moderne Biotechnol. Les 8 Les 9 0 1 2 Light met polymeerchemie Biotechnologie zonder industriële chemie Verdieping evenwichten en energie 8 H7: Gibbs energie dissimilatie glucose
Hoofdstuk 3 Biosynthetische routes
Hoofdstuk 4 Klassieke biotechnologie: de melkzuurfabriek.. glucose melkzuur polymelkzuur Hoofdstuk 5 Moderne biotechnologie: de productie van 1,3-propaandiol glucose 1,3-propaandiol Sorona
Hoofdstuk 4 Klassiek: de cel als melkzuurfabriek
Hoofdstuk 4 Klassiek: scheidingsmethoden
Hoofdstuk 4 Klassiek: Polymelkzuurproductie C C H CH 3 n H 2 O OH H H C O O OH C O OH n n C C H O + H
Hoofdstuk 5 Modern: metabolic engineering
Hoofdstuk 5 Modern: metabolic engineering
Hoofdstuk 5 Modern: metabolic engineering
Hoofdstuk 5 Modern: 1 2 3 4 5 6 7 8 R e a c t o r V e r h it t e n M ic ro - f il tra t ie U l t ra - f ilt ra t ie N a n o- f il tra t ie Io ne n- w i ss e l a a r D u b b e le D e.. s... t ill... a. t i e 1,3 - p r o p a a n d io l ( l ) 9 M e t. E n g. E.c o li G l uc os e R e a c t o r S o ro n a Vragen van Directie Vraag 1 Metabolic engineering E.coli. Hoe gaat het inbrengen van genen precies te werk? Kan kort maar duidelijk uitgelegd worden wat de functies van plasmiden en promotoren zijn? Vraag 2 Is glucose de werkelijke grondstof? Welke grondstoffen zijn in Nederland beschikbaar? Vraag 3 De reactor is een aërobe (bio)reactor. Er is dus zuurstof nodig. Hoe wordt die in de reactor gebracht? Geef een schematische afbeelding van een aërobe (bio)reactor die geschikt zou zijn voor de productie van 1,3-propaandiol Vraag 4 Waarom is het nodig te verhitten? De micro-organismen verdwijnen door filtratie toch al uit het product? Vraag 5 Hoeveel kj per kg geproduceerd 1,3-propaandiol kost het verhitten als een batch een 1,3-propaandiol concentratie heeft van 135 g/l? Vraag 6 Wat zijn eigenlijk de afmetingen af van de poriën bij microfiltratie, bij utrafiltratie en bij nanofiltratie? Waarom na elkaar in drie stappen Micro,Ultra en nanofiltratie? Waarom niet in 1 stap? Zijn Micro,Ultra en nanofiltratie geschikt voor industriële schaal en hoe dan? Vraag 7 Hoe werkt een industriële ionenwisselaar. En wat wordt er gescheiden? Waarom moet er een stof toegevoegd worden. Vraag 8 Waarom dubbele destillatie? Waarom moet de 1,3-propaandiol een zuiverheid van 99,992 % hebben? Vraag 9 Welke grondstof(fen) is/zijn, naast 1,3-propaandiol, nog meer nodig voor de productie van Sorona.? Hoeveel ton van die grondstof is nodig per ton geproduceerde Sorona?
Uitproberen: Groep 1: Extractie melkzuur 4.3 route 1 (lees eerst 4.2) Groep 2: Reactieve extractie melkzuur 4.3 route 2 Groep 3: Reactieve destillatie melkzuur 4.3 route 3 Groep 4: Kristallisatie calciumlactaat 4.3 route 4 Groep 5: Elektrodialyse melkzuur 4.3 route 5 Groep 6: Grondstoffen melkzuur 4.3 route -1 Groep 7: Productie van PLA via dilactide 4.4 route 6 Groep 8: PLA via directe polycondensatie 4.4 route 7 Groep 9: Oefenopgaven 4.5 ~15 min. Plenair rapporteren en evalueren door groepjes
Afsluiting Meer informatie: a.kerkstra@tudelft.nl
Geraadpleegde bronnen bij hoofdstuk Melkzuurbacterie als melkzuurfabriek Vijayakumar, J; Aravindan, R; Viruthagiri, T Recent trends in the production, purification and application of lactic acid Chemical and Biochemical Eengineering Quaterly 2008, 22, 245-264 Oh, H.; Wee, Y. J.; Yun, J. S., et al Lactic acid production from agricultural resources as cheap raw materials Bioresource Technology 2005, 96, 1492-1498 Wee, Y. J.; Kim, J. N.; Ryu, H. W. Biotechnological production of lactic acid and its recent applications Food Technology and Biotechnology 2006, 44, 163-172 Arora, M. B.; Hestekin, J. A.; Snyder, S. W., et al. The separative bioreactor: A continuous separation process for the simultaneous production and direct capture of organic acids Separation Science and Technology 2007, 42, 2519-2538 Figuur 7 Yang, S. T., White, S. A., Hsu S. T., Extraction of Carboxylic Acids with Tertiary and Quaternary Amines: Effect of ph Ind. Eng Chem. Res.!991, 30, 1335-1342 Figuur 13 Dimov, S., Kirilov, N., Peykov, S., Ivanova I. Growth Characteristics of Twenty Lactobacillus Delbrueckii Strains Isolated from Bulgarian Home made Yoghurts Biotechnol. & Biotechnol. EQ. 2007, 21, 172-176 Figuur 14 Cao, X., Lee, H. J., Yun H. S., Koo Y. K., Solubilities of Calcium and Zinc Lactate in Water and Water-Ethanol Mixture Koreano r. Chem. Eng.2001, 18, 133-135 Kubantseva, N., Hartel, R. W., Swearingen, P. A. Factors Affecting Solubility of Calcium Lactate in Aqueous Solutions J. Dairy Sci. 2004 87:863 867 ScheikundeInBedrijf.nl http://www.scheikundeinbedrijf.nl/module/index.rails?id=3 Industrial Biotechnology Case Study 2008: Design of a Future lactic Acid Plant TUDelft/Purac