BIOTECHNOLOGIA, podstawy mikrobiologiczne i biochemiczne Aleksander Chmiel, PWN 1998

Transkrypt

1 Wykłady - tematy Biotechnologia farmaceutyczna definicja i znaczenie. Typy procesów biotechnologicznych, biokatalizatory. Fermentacja tlenowa - przykład najczęściej stosowanego procesu biotechnologicznego. Wybrane szczepy drobnoustrojów przemysłowych ; produkty ich przemian peryferyjnych o znaczeniu biologicznym. Hodowle komórek ssaków i komórek roślinnych. Porównanie systemów komórkowych. Pozyskiwanie i ulepszanie szczepów produkcyjnych ; mutageneza, fuzja protoplastów, inżynieria genetyczna. Wielkocząsteczkowe substancje aktywne, otrzymywane metodami biotechnologicznymi (przeciwciała monoklonalne, rekombinowane leki białkowe). Technologia bioprocesów procesy up-stream; procesy okresowe, półciągłe i ciągłe - zalety i wady. Biokatalizatory, enzymy i komórki unieruchomione. Podłoża hodowlane - główne składniki, materiały pomocnicze, prekursory, promotory wzrostu, odpieniacze itp. Analityczne aspekty biotechnologii, kontrola bioprocesu. Procesy biotransformacji, zastosowanie w biotechnologii farmaceutycznej. Biotechnologia sterydów. Biotechnologia antybiotyków. Biotechnologia grzybów wyższych stan obecny i perspektywy

2 BIOTECHNOLOGIA, podstawy mikrobiologiczne i biochemiczne Aleksander Chmiel, PWN 1998 BIOTECHNOLOGIA I CHEMIA ANTYBIOTYKÓW Aleksander Chmiel, PWN 1998 BIOTECHNOLOGIA FARMACEUTYCZNA Oliver Kayser, Rainer Muller, PZWL 2003 PODSTAWY BIOTECHNOLOGII FARMACEUTYCZNEJ Oliver Kayser, Wydawnictwo Uniwersytetu Jagiellońskiego 2006

3 Biotechnologia interdyscyplinarna dziedzina nauki i techniki, zajmująca się zmianą materii żywej poprzez wykorzystanie organizmów żywych, ich części, bądź pochodzących od nich produktów, a także modeli procesów biologicznych w celu tworzenia wiedzy, dóbr i usług (MNiSW, 2006)

4 Biotechnologia interdyscyplinarna dziedzina nauki i techniki, zajmująca się zmianą materii żywej poprzez wykorzystanie Czynniki biologiczne (biokatalizatory) komórki lub izolowane enzymy Cel: nagromadzanie biomasy otrzymywanie odpowiedniego metabolitu wytwarzanego przez komórki (biosynteza) przemiana chemiczna składniku pożywki substratu, ksenobiotyku (biotransformacja)

5 Zarys rozwoju biotechnologii Starożytność (odkrycia Pasteura w dziedzinie fermentacji) era rozwoju mikrobiologii technicznej, opracowanie produkcji etanolu, butanolu, metanolu, acetonu, kwasów organicznych złota era antybiotyków opracowanie metod hodowli komórek organizmów wyższych w warunkach in vitro, wytwarzanie szczepionek, surowic, SCP, czystych aminokwasów, enzymów, polisacharydów. od końca lat 70-tych - rozwój inżynierii genetycznej

6

7

8

9 Kolory biotechnologii Czerwona biotechnologia to biotechnologia, której głównym obszarem zainteresowania jest służba zdrowia Biała biotechnologia - to biotechnologia zajmująca się wykorzystaniem systemów biologicznych w przemyśle Zielona biotechnologia agrobiotechnologia, zajmuje się aspektami związanymi z rolnictwem, rozwiązaniami stosowanymi w celach spożywczych i niespożywczych Niebieska biotechnologia - zajmuje się szeroko rozumianą problematyką biotechnologii wód Fioletowa biotechnologia zajmuje się zagadnieniami społecznymi, problemami prawnymi w tym legislacją, ochroną własności intelektualnej, jak również zagadnieniami filozoficznymi i etycznymi

10 Zakres zainteresowań naukowych Katedry Technologii Leków i Biotechnologii Farmaceutycznej Poszukiwanie i biosynteza nowych immunomodulatorów

11 Optymalizacja procesów biotechnologicznych Optymalizacja procesów biotechnologicznych, np. biosyntezy immunosupresanta tacrolimus

12 Biotechnologia grzybów wyższych izolacja z mycelium lub podłoża pohodowlanego substancji farmakologicznie czynnych biosyntezowanych przez komórki grzyba; uzyskanie biomasy o wysokiej zawartości substancji odżywczych, do wykorzystania jako żywności funkcjonalnej i do produkcji suplementów diety uzyskanie biomasy o wysokiej zawartości substancji biologicznie czynnych (głównie antyoksydantów), do wykorzystania w kosmetologii izolacja z hodowli wgłębnej enzymów (głównie oksydoreduktaz) biosyntezowanych przez grzyby, stosowanych następnie w procesach biotransformacji lub bioremediacji

13 Celem procesów biotechnologicznych może być nagromadzanie biomasy mikroorganizmów (produkcja drożdży piekarniczych, winnych, gorzelnianych, browarniczych, paszowych, produkcja biomasy białek drobnoustrojów, ang. Single Celi Protein SCP, wytwarzanie dużych ilości osadów organicznych przy oczyszczaniu ścieków itp.) otrzymywanie odpowiedniego metabolitu wytwarzanego przez namnażane drobnoustroje, komórki lub tkanki (produkcja kwasów organicznych, enzymów, przeciwciał, alkoholi, gazów, m.in. metanu i wodoru, antybiotyków, toksyn jako wzorców do celów analitycznych, specyficznych węglowodanów o dużej lepkości) przemiana składników pożywki- substratu, wykorzystanie endogennej respiracji biomasy, utlenianie, redukcja lub destrukcja, eliminacja składników' szkodliwych biologicznie w wyniku biokonwersji lub kometabolizmu

14 Rodzaje bioprocesów przemysłowych Rodzaj procesu Czynniki katalityczne Przykłady Biosynteza drobnoustroje biosynteza aminokwasów, antybiotyków, polisacharydów, produkcja preparatów paszowych komórki zwierzęce otrzymywanie szczepionek wirusowych, przeciwciał monoklonalnych komórki roślinne enzymy biosynteza szikoniny, kwasu rozmarynowego biosynteza dekstranu, glutationu, tryptofanu

15 Rodzaj procesu Czynniki katalityczne Przykłady Biotransformacja drobnoustroje enzymy biotransformacje steroidów, otrzymywanie kwasu octowego, L-sorbozy, kwasu glukonowego biotransformacje steroidów konwersja glukozy do fruktozy, kwasu fumarowego do jabłkowego oraz do L-asparaginowego Biohydroliza enzymy ścinanie mleka, wytwarzanie soków owocowych, hydroliza rafinozy, laktozy, skrobi, dekstranu hydroliza penicyliny do kwasu 6-aminopenicylanowego, hydroliza acetylo-l-aminokwasów

16 Rodzaj procesu Czynniki katalityczne Przykłady Fermentacja (w sensie dosłownym) drobnoustroje produkcja etanolu, kwasu mlekowego, masłowego, butanolu Bioługowanie drobnoustroje procesy ługowania minerałów, głównie uranu i miedzi Biodegradacja (utylizacja) drobnoustroje oczyszczanie ścieków, produkcja biogazu z odpadów i ścieków, produkcja biomasy paszowej ze ścieków

17 Ogólna charakterystyka czynników biologicznych w procesach biotechnologicznych

18 Procesy upstream i downstream jako części bioprocesu Upstream - część bioprocesu w której w bioreaktorach hodowane są mikroorganizmy /komórki (np. linie komórek bakterii, ssaków, hybrydy). Upstream processing składa się ze wszystkich etapów związanych z: o uzyskaniem i optymalizacją szczepu produkcyjnego, o uzyskaniem inokulum (zaszczepu), o opracowaniem (optymalizacją) składu podłoża, o optymalizacją kinetyki wzrostu, warunków hodowli i aparatury o przeprowadzeniem hodowli Po zakończeniu hodowli rozpoczyna się etap downstream bioprocesu.

19 Część bioprocesu określana jako downstream polega na izolacji i oczyszczaniu produktu Często spotykane etapy procesów downstream to: Separacja biomasy i podłoża Rozbicie komórek Zagęszczenie podłoża Wstępne oczyszczenie produktu Odwodnienie produktu Doczyszczenie produktu do % czystości Uzyskanie finalnej postaci produktu

20 Najbardziej typowym przykładem (najczęściej stosowanym) procesu biotechnologicznego jest proces fermentacji tlenowej, za pomocą którego uzyskuje się biomasę drobnoustrojów lub ich metabolity zawarte wewnątrz komórek lub wydzielane przez nie do środowiska Realizacja wymienionego procesu obejmuje następujące operacje podstawowe: przygotowanie fermentora przygotowanie i kontrolę osprzętu fermentora przygotowanie pożywki lub podłoża, zaszczepu (inokulum), odpieniaczy

21 sterylizację fermentora, pożywki, powietrza i pomieszczeń zaszczepienie (inokulacja) fermentację i kontrolę parametrów procesu, jak: napowietrzanie, mieszanie, ogrzewanie lub chłodzenie, odpienianie, poziom ph itp.

22 okresowe pobieranie próbek i ich kontrolę, opróżnianie zawartości fermentora procesy upstream procesy downstream wydzielanie, oczyszczanie i otrzymywanie gotowego produktu unieszkodliwianie produktów ubocznych lub odpadowych powstających w wyniku procesu.

23 Schemat blokowy procesu biotechnologii antybiotyków 2. rozmnażanie materiału posiewowego a szczep produkcyjny (zamrożony lub zliofllizowany) b hodowla szczepu na skosach agarowych c hodowla w kolbach Roux d hodowla wstrząsana e hodowla w bioreaktorach posiewowych