Analytical Determination of the Optimal Temperature Profiles for the Reactions with Parallel Deactivation of Enzyme Encapsulated Inside Microorganisms Cells

A batch biotransformation process running in the presence of microorganisms cells revealing a specified enzyme activity has been considered. The parallel deactivation of enzyme has been taken into account. An analytical solution determining the process course under isothermal conditions and at an optimal temperature profile has been presented. The advantages resulting from the application of the optimal temperature profile with respect to the isothermal conditions in terms of the duration time of the process have been assessed. The presence of the cell membrane has also been taken into account

Przewidywanie funkcji lewej komory u chorych po ostrym zawale serca leczonych inwazyjnie

Wstęp: Mimo dużej skuteczności pierwotnej przezskórnej śródnaczyniowej angioplastyki wieńcowej (PTCA) w redukcji śmiertelności wewnątrzszpitalnej u pacjentów z ostrym zawałem serca z uniesieniem odcinka ST (STEMI) rokowanie odległe tych osób wiąże się z ryzykiem poważnych powikłań. Głównymi determinantami niekorzystnego przebiegu klinicznego chorych po STEMI są: postępująca przebudowa (remodeling) lewej komory (LV), polegająca głównie na jej poszerzeniu i zmianie kształtu, oraz upośledzenie funkcji skurczowej LV z obniżeniem jej frakcji wyrzutowej (EF). Oznaczanie stężeń peptydów natriuretycznych w osoczu stanowi obiecującą metodę, która mogłaby poprawiać proces stratyfikacji ryzyka chorych po STEMI, którego podstawą jest echokardiografia. Cele pracy prowadzonej w grupie chorych ze STEMI leczonych pierwotną PTCA obejmowały ocenę funkcji oraz występowania przebudowy LV z użyciem echokardiografii, ocenę przydatności oznaczania stężenia N-końcowego fragmentu mózgowego peptydu natriuretycznego (NT-proBNP) oraz próbę identyfikacji czynników pozwalających przewidzieć w dniu wypisu ze szpitala stopień upośledzenia funkcji oraz wystąpienie remodelingu LV po STEMI w 6-miesięcznej obserwacji. Metody: Grupę badaną stanowiło 98 pacjentów (23 kobiety, 75 mężczyzn). Przezklatkowe badanie echokardiograficzne wykonano w dniu wypisu ze szpitala i po 6 miesiącach, oceniając wymiary jam serca oraz parametry funkcji skurczowej (EF, wskaźnik kurczliwości - WMSI) i rozkurczowej LV (prędkości maksymalne napływu mitralnego: wczesnego - E oraz w czasie skurczu przedsionka - A, czas deceleracji wczesnego napływu mitralnego — DT, czas rozkurczu izowolumetrycznego - IVRT). Stężenia NT-proBNP mierzono w osoczu wyjściowo przed zabiegiem pierwotnej PTCA oraz 6 miesięcy po STEMI. Wyniki: Dzięki pierwotnej PTCA przywrócono prawidłowy przepływ nasierdziowy w tętnicy odpowiedzialnej za zawał u 96 chorych. W ocenie echokardiograficznej po 6 miesiącach wykazano u przeważającej większości pacjentów zachowaną funkcję skurczową LV (mediana EF 47,5%), obecność upośledzonej funkcji rozkurczowej LV o profilu zaburzonej relaksacji (E/A 105 ms) oraz brak istotnej zmiany wymiaru końcoworozkurczowego LV (LVEDD). Niezależnymi czynnikami prognostycznymi zachowanej EF po 6 miesiącach w analizie wielowymiarowej okazały się: niska maksymalna aktywność kinazy fosfokreatynowej (CPKmax), niskie wyjściowe stężenie NT-proBNP oraz wysoka EF przy wypisie. Wymiar końcoworozkurczowy lewej komory przy wypisie, stężenie NT-proBNP przy przyjęciu oraz aktywność CPKmax dodatnio korelowały z LVEDD po 6 miesiącach w modelu regresji wielokrotnej. Wysokie wyjściowe stężenia NT-proBNP oraz mały LVEDD przy wypisie pozostawały w analizie wieloczynnikowej niezależnymi czynnikami predykcyjnymi zmiany LVEDD, będącej estymatorem przebudowy LV. Nie wykazano istotnych różnic między grupami pacjentów, u których czas od początku bólu do uzyskania reperfuzji był krótszy lub równy 3,2 h i dłuższy od 3,2 h (mediana opóźnienia), pod względem nasierdziowego przepływu krwi w tętnicy odpowiedzialnej za zawał, wielkości obszaru martwicy ocenianej enzymatycznie oraz wartości LVEDD po 6 miesiącach, chociaż znamienny wzrost EF po tym okresie stwierdzono tylko w grupie chorych z czasem bólu krótszym lub równym 3,2 h. Czas od początku bólu do uzyskania reperfuzji dodatnio korelował ze stężeniem NT-proBNP po 6 miesiącach. Wnioski: Skuteczna pierwotna PTCA u pacjentów ze STEMI wpływa na istotną poprawę funkcji skurczowej LV oraz zapobiega niekorzystnej przebudowie LV w 6-miesięcznej obserwacji. Niskie wyjściowe stężenie NT-proBNP, mała aktywność CPKmax oraz wysoka wartość EF przy wypisie pozostają silnymi, niezależnymi czynnikami predykcyjnymi zachowanej EF 6 miesięcy po interwencji. Wysokie stężenie NT-proBNP przy przyjęciu oraz mały LVEDD przy wypisie są czynnikami prognostycznymi przebudowy LV. Dłuższy czas opóźnienia terapii reperfuzyjnej powoduje brak poprawy funkcji skurczowej LV w obserwacji odległej u leczonych inwazyjnie chorych ze STEMI, nie wpływając istotnie na wystąpienie remodelingu LV

External Mass Transfer Model for Hydrogen Peroxide Decomposition by Terminox Ultra Catalase in a Packed-Bed Reactor

It is known that external diffusional resistances are significant in immobilized enzyme packed-bed reactors, especially at large scales. Thus, the external mass transfer effects were analyzed for hydrogen peroxide decomposition by immobilized Terminox Ultra catalase in a packed-bed bioreactor. For this purpose the apparent reaction rate constants, kP, were determined by conducting experimental works at different superficial velocities, U, and temperatures. To develop an external mass transfer model the correlation between the Colburn factor, JD, and the Reynolds number, Re, of the type JD = K Re(n-1) was assessed and related to the mass transfer coefficient, kmL. The values of K and n were calculated from the dependence (am kp-1 - kR-1) vs. Re-1 making use of the intrinsic reaction rate constants, kR, determined before. Based on statistical analysis it was found that the mass transfer correlation JD = 0.972 Re-0.368 predicts experimental data accurately. The proposed model would be useful for the design and optimization of industrial-scale reactor

Experimental investigation of the pressure drop in a biofiltration packed bed

Przedstawiono wyniki badań nad spadkiem ciśnienia powietrza w złożu biofiltracyjnym o różnej zawartości wilgoci stanowiącym mieszaninę zrębków drewnianych i kory. Złoże jest stosowane do oczyszczania powietrza ze składników złowonnych (odorów) powstających podczas intensywnej produkcji zwierzęcej. Uzyskane wyniki dopasowano do równania Erguna i na tej podstawie określono powierzchnię właściwą badanego złoża jako parametr decydujący o efektywności jego działania. Określono wpływ stałych Blake'a-Kozeny'ego-Carmana i Burke'a-Plummera na wielkość obliczonej powierzchni.Experimental results dealing with the pressure drop in a packed bed with different moisture content made up of a mixture of irregular wood chips and wood bark are presented. Moist, irregular wood chips or wood bark are used in packed beds for reducing odour and other gaseous emissions from livestock farms. The experimental data were fitted to the Ergun equation using the non-linear least squares regression method. On this basis the bed specific surface was estimated as a parameter deciding of pollution reduction. Effect of the Blake-Kozeny-Carman and the Burke-Plummer constants on the specific surface was assessed

Effect of cell membrane on optimal temperature profiles in the biotransformation with parallel endoenzyme deactivation

Rozważono okresowy proces biotransformacji przebiegający w obecności komórek drobnoustrojów wykazujących aktywność enzymu ulegającego dezaktywacji równoległej. W oparciu o klasyczną metodę rachunku wariacyjnego określono optymalne warunki temperaturowe zapewniające minimalny czas przebiegu procesu. Wykazano, że zastosowanie komórek drobnoustrojów spowalnia szybkość przebiegu rozkładu nadtlenku wodoru powodując przesunięcie początkowej temperatury profilów optymalnych w kierunku wyższych wartości. Przesuniecie to jest tym wyraźniejsze, im niższa jest przenikalność błony komórkowej. W konsekwencji obserwuje wydłużenie czasu przebiegu procesu optymalnego, przy czym dolne ograniczenie temperaturowe staje się nieaktywne.A batch biotransformation process running in the presence of microorganisms cells revealing a specified enzyme activity was considered. The parallel deactivation of enzyme was taken into account. Based on variational calculus computations the optimal temperature conditions ensuring minimum duration time were determined. It was proved that the application of microorganisms cells results in slowing down the reaction rate and shifting the initial temperature of stationary profile to higher values. They are more pronounced when the lower is the permeability of membrane cell. In consequence, the extension of process duration time is observed along the sections of optimal profile while the lower temperature constraint usually becomes inactiv

Evaluation of external mass transfer for hydrogen peroxide decomposition occurring in a fixed-bed bioreactor

Przeanalizowano wpływ zewnętrznego transportu masy na szybkość procesu rozkładu nadtlenku wodoru przebiegającego w reaktorze ze stałym złożem immobilizowanej katalazy Terminox Ultra. Przy różnych natężeniach przepływu roztworu nadtlenku wodoru i w temperaturze 30°C wyznaczono wartości pozornych stałych szybkości reakcji. Na ich podstawie, w oparciu o analizę statystyczną, wyznaczono wartości wykładnika i stałej występujące w korelacji między czynnikiem Colburna JD i liczbą Reynoldsa Re. W efekcie zaproponowano model przewidujący w sposób właściwy dane eksperymentalne.The external mass transfer effects were analyzed for hydrogen peroxide decomposition by immobilized Terminox Ultra catalase in a packed-bed bioreactor. For this purpose the apparent reaction rate constants were determined by conducting the experiments at different flow rates and temperature of 30°C. On this basis, using the statistical analysis, values of the exponent and constant present in the correlation between the Colburn factor JD and Reynolds number Re were determined. Finally, a model correctly predicting the experimental data was proposed

Hydrogen peroxide decomposition in a fixed-bed bioreactor with immobilized catalase Terininox Ultra: Estimation of biotransformation kinetic parameters

W reaktorze ze złożem stałym prowadzono rozkład nadtlenku wodom w obecności katalazy immobilizowanej na nieporowatych kulkach szklanych. Przebieg procesu kontrolowano dokonując pomiaru stopnia przemiany H2O2 w funkcji czasu i położenia w reaktorze. Na tej podstawie określono energie aktywacji reakcji i dezaktywacji oraz współczynniki częstości. Wyznaczone parametry ER = (12,6±0,3 kJ mol-1, kR()am= (l,552±0,202) 103cm3g-1min-1 dla reakcji oraz ED = 49,7±1,2 kJ-mol-1, kD0C>sub>S0 = (l,495±0,587)-109h-1 dla dezaktywacji umożliwiają obliczenie stopnia przemiany w reaktorze z dobrą dokładnością. Wyznaczone parametry kinetyczne mogą być wykorzystane do modelowania i optymalizacji bioreaktora ze złożem stałym, w którym przebiega rozkład nadtlenku wodoru w obecności katalazy Terminox Ultra.Immobilized Terminox Ultra catalase was used in a fixed-bed reactor to decompose hydrogen peroxide. At the same time the catalase immobilized on non-porous glass beads is deactivated by hydrogen peroxide (parallel deactivation). The course of the process was monitored by the measurement of hydrogen peroxide conversion as a function of time and reactor position. On this basis activation energies for reaction and deactivation as well as frequency coefficients were calculated. Assessed kinetic parameters equal to ER = (12,6±0,3 kJ mol-1, kR()am= (l,552±0,202) 103cm3g-1min-1 for reaction andED = 49,7±1,2 kJ-mol-1, kD0C>sub>S0 = (l,495±0,587)-109h-1 for deactivation make it possible to predict experimental data accurately. These kinetic parameters could be useful for the design and optimization of industrial-scale reactors. Keywords: hydrogen peroxide decomposition, immobilized Terminox Ultra catalase, catalase deactivation

How to purify the industrial wastewater from hydrogen peroxide effectively?

Przeprowadzono analizę matematyczną by ocenić, czy zastosowanie optymalnego sterowania temperaturą w procesie rozkładu nadtlenku wodoru przez natywną katalazę Terminox Ultra jest uzasadnione. Oceny dokonano w oparciu o wskaźnik będący ilorazem czasów trwania procesu prowadzonego przy optymalnym profilu temperatury oraz w warunkach izotermicznych. Wykazano, że zastosowanie optymalnego sterowania temperaturą jest uzasadnione, gdy proces przebiega do osiągnięcia wysokich stopni przemiany oraz niskich aktywności enzymu. Dodatkowo wprowadzenie ograniczeń temperaturowych obniża wartość ocienianego wskaźnika. Przedstawiona analiza może być pomocna przy ekonomicznej ocenie procesów sterowanych optymalnie.A mathematical analysis is proposed to assess if the application of optimal temperature control (OTC) in the hydrogen peroxide decomposition process by Terminox Ultra catalase is justified. The estimation was performed on basis of the indicator expressed by a quotient of process duration under time-optimal temperature control and that for isothermal conditions (IC). It was found that the application of OTC is justified when the process under consideration is running up to attain a high conversion and low final enzyme activity. Additionally, the application of temperature constraints causes a decrease of the assessed indicator value. The framework proposed here can be helpful for the evaluation of economic aspects of optimally controlled processes

Optimal feed temperature for hydrogen peroxide decomposition process occurring in a bioreactor with fixed-bed of commercial catalase: a case study on thermal deactivation of the enzyme

On the basis of hydrogen peroxide decomposition process occurring in the bioreactor with fixed-bed of commercial catalase the optimal feed temperature was determined. This feed temperature was obtained by maximizing the time-average substrate conversion under constant feed flow rate and temperature constraints. In calculations, convection-diffusion-reaction immobilized enzyme fixed-bed bioreactor described by a coupled mass and energy balances as well as general kinetic equation for rate of enzyme deactivation was taken into consideration. This model is based on kinetic, hydrodynamic and mass-transfer parameters estimated in earlier work. The simulation showed that in the biotransformation with thermal deactivation of catalase optimal feed temperature is only affected by kinetic parameters for enzyme deactivation and decreases with increasing value of activation energy for deactivation. When catalase undergoes parallel deactivation the optimal feed temperature is strongly dependent on hydrogen peroxide feed concentration, feed flow rate and diffusional resistances expressed by biocatalyst effectiveness factor. It has been shown that the more significant diffusional resistances and the higher hydrogen peroxide conversions, the higher the optimal feed temperature is expected