BIOTECHNOLOGIA OGÓLNA 1. Wprowadzenie do biotechnologii. Rys historyczny. Zakres i znaczenie nowoczesnej biotechnologii. Opracowanie procesu biotechnologicznego. 7. Produkcja biomasy. Białko mikrobiologiczne. 2. 3. Pozyskiwanie i ulepszanie szczepów przemysłowych. Pozyskiwanie drobnoustrojów. Ulepszanie szczepów na drodze mutagenizacji. Metody selekcji szczepów. Podstawy hybrydyzacji drobnoustrojów. Technologia rekombinacji DNA. Przechowywanie szczepów 8. 9. Biotechnologia w przemyśle spożywczym. Produkcja probiotyków. Produkcja kwasu mlekowego. Nadprodukcja wybranych produktów metabolizmu. Biosynteza i nadprodukcja aminokwasów. Produkcja kwasów organicznych. Fermentacja etanolowa 4. 5. 6. Warunki prowadzenia bioprocesów. Sposoby prowadzenia procesów mikrobiologicznych. Biokatalizatory. Bioreaktory. Charakterystyka drobnoustrojów przemysłowych. Wymagania pokarmowe. Degradacja związków wielkocząsteczkowych. Centralne przemiany metaboliczne. Wzrost drobnoustrojów przemysłowych. 10. 11. 12. Biotechnologia w przemyśle farmaceutycznym. Biotechnologia antybiotyków. Produkcja szczepionek. Insulina. Leki nowej generacji. Procesy biotransformacji. Biotransformacja związków steroidowych. Biotransformacja antybiotyków. Bioługowanie metali. Literatura 1
2
3
Blokowy schemat technologiczny procesu biosyntezy mikrobiologicznej przygotowanie produkcji właściwa biosynteza obróbka poprodukcyjna 4
Hodowle na podłożach ciekłych: hodowle wgłębne hodowle powierzchniowe z unieruchomionym materiałem biologicznym Hodowle na podłożach stałych 5
Hodowla okresowa 6
Hodowla okresowa Zaletami hodowli okresowej są: prostota prowadzenia operacji, łatwość utrzymania warunków jałowych, odnawialność inokulum zapobiegająca degeneracji szczepu. Wadami hodowli okresowej są: niska produkcyjność procesu, brak możliwości regulacji stężenia substratu. 7
Hodowla okresowa z zasilaniem Zaletami hodowli półokresowej są: duża elastyczność prowadzenia hodowli, możliwość kontrolowania stężenia substratu, możliwość automatyzacji procesu. Wadami hodowli półokresowej są: konieczność jałowego dozowania pożywki, niebezpieczeństwo degeneracji szczepu w hodowlach wielokrotnych. 8
Hodowla ciągła 9
Hodowla ciągła 10
Hodowla ciągła 11
Hodowla przy hamowaniu wzrostu mikroorganizmów produktami metabolizmu 12
Hodowla na podłożu stałym Zaletami hodowli na podłożach stałych: prostota aparatury możliwość uzyskania wysokich stężeń produktów uzyskiwanie wysokich wydajności wytwarzania metabolitów dzięki wzrostowi mikroorganizmów (np. grzybów) w warunkach zbliżonych do naturalnych wykorzystywanie surowców odpadowych 13
Biokatalizatory unieruchomione Immobilizacja (unieruchomienie) zespół metod, które ograniczają całkowicie lub częściowo swobodę poruszania się określonych atomów, cząsteczek, substancji lub materiału biologicznego na podłożu stałym lub wewnątrz specyficznych struktur. XVII w. wytwarzanie octu unieruchomienie bakterii kwasu octowego na wiórach bukowych XIX/XX w. oczyszczanie ścieków złoża biologiczne 1960 r. pierwsze procesy przemysłowe z użyciem unieruchomionych enzymów 14
Wymagania stawiane technikom immobilizacji Muszą być bezpieczne. Proces nie może stwarzać zagrożenia dla obsługi i dla użytkownika produktu wytworzonego tą metodą. Oznacza to ograniczenie materiałów stosowanych do unieruchamiania komórek lub enzymów. Muszą być proste. Jeżeli dana technologia ma być konkurencyjna w stosunku do technik tradycyjnych, nie może być zbyt skomplikowana i wymagać bardzo złożonej obsługi. Stosowanie drogich materiałów, które po wykorzystaniu poddawane są regeneracji jest wskazane jedynie w tych przypadkach, gdy wykazują one bardzo dużą przewagę nad prostymi i tanimi materiałami używanymi jednorazowo. Dodatkowo należy uwzględnić wszelkie efekty dla środowiska naturalnego wynikające ze stosowania danych materiałów. Muszą zapewniać długotrwałe użytkowanie. Oznacza to zarówno utrzymanie przez długi czas aktywności materiału biologicznego, jak i trwałość samego materiału stosowanego do immobilizacji. Muszą zapewniać wysoką aktywność materiału biologicznego. Często komórki po unieruchomieniu wykazują mniejszą aktywność niż w zawiesinie. Dąży się do minimalizowania oporów ruchu masy między ciekłym roztworem i unieruchomionymi komórkami, aby środowisko lokalne wokół komórek odpowiadało najbardziej korzystnym warunkom przemiany. W niektórych zastosowaniach ważne jest też zapobieganie przedostawaniu się komórek do roztworu. Muszą być tanie. Wszystkie przedstawione warunki związane są z obniżaniem kosztów procesu. Koszty eksploatacji reaktorów z unieruchomionym materiałem biologicznym są małe, za to wysokie mogą być koszty namnożenia komórek, unieruchomienia, napełnienia rektora, a następnie, po zakończeniu cyklu pracy, jego wypróżnienia i oczyszczenia. Wspomniane operacje są bardzo pracochłonne. 15
Wiązanie na powierzchni nośnika Adsorpcja i adhezja: wiązania wodorowe, jonowe, hydrofobowe, oddziaływania sił van der Waalsa, elektrostatycznych Nośnik: drewno, celuloza, jonity, polimery syntetyczne, szkło porowate, spieki ceramiczne, tlenki metali Wiązania kowalencyjne: peptydowe, estrowe Czynnik wiążący: aldehyd glutarowy Nośnik: szkło, ceramika, karboksymetyloceluloza, akrylany 16
Wiązanie w matrycy nośnika Pułapkowanie w żelach naturalnych lub syntetycznych Nośnik: agar, alginian, kolagen, poliuretan, poliaktylamid, włókna octanu celulozy, żel skrobiowy, nylon 17
Zamykanie wewnątrz półprzepuszczalnych membran Mikrokapsułkowanie, zamykanie wewnątrz półprzepuszczalnych membran Materiał do kapsułkowania: silikon, nylon, polioctan, celuloza, poliwęglany 18
Unieruchamianie bez użycia nośnika mechanicznego Sieciowanie przestrzenne wiązanie grup funkcyjnych komórek z reagentami Nośnik: aldehyd glutarowy, chlorek cyjanurowy, heksametylenocyjaniny Flokulacja przy udziale elektrolitów Flokulacja naturalna (samoagregacja) 19
20
21
Procesy z unieruchomionym materiałem biologicznym: Biokonwersja. Reaktory do prowadzenia biokonwersji wykorzystują unieruchomione enzymy, unieruchomione nieaktywne komórki lub komórki aktywne, lecz nie rosnące. Zwykle w reaktorach tych nie występuje napowietrzanie, nie jest też wydzielany dwutlenek węgla. Często prace prowadzi się w warunkach niejałowych. Wytwarzanie metabolitów nie związanych ze wzrostem. Procesy te czasami wymagają doprowadzenia tlenu, wydzielany jest dwutlenek węgla. Unieruchamianie są aktywne komórki bądź w fazie stacjonarnej, bądź rosnące na powierzchni lub wewnątrz nośnika. Wytwarzanie metabolitów pierwotnych. Komórki muszą być tak unieruchomione, aby możliwy był normalny metabolizm substratu. Często wymagane jest dobre napowietrzanie. Podobnie jak w poprzedniej grupie, wydzielany jest dwutlenek węgla. 22
Bioreaktory (fermentory) urządzenia służące do hodowli drobnoustrojów, komórek roślinnych i zwierzęcych. Konstruowane są w sposób umożliwiający kontrolę procesu produkcyjnego i jego optymalny przebieg w warunkach maksymalnego ograniczenia lub całkowitego wyeliminowania możliwości zakażeń. Podział bioreaktorów: bioreaktory do hodowli wgłębnej (HPC) bioreaktory do hodowli w podłożu stałym (HPS) bioreaktory z unieruchomionym materiałem biologicznym 23
24
25
Sposoby mieszania w bioreaktorach 26
27
28
29
30
Bioreaktory na podłożach stałych 31
32
33
34
Schemat namnażania inokulum do procesu biosyntezy 35
Parametry przykładowego procesu fermentacyjnego 36
Wydzielanie biomasy mikroorganizmów filtracja flokulacja i sedymentacja wirowanie 37
Filtracja biomasy Prasa filtracyjna 38
Filtracja biomasy Próżniowy filtr obrotowy 39
Filtracja biomasy Filtracja objętościowa Filtr taśmowy 40
41
42
43
Zagęszczanie roztworów termiczne ekstrakcja ultrafiltracja odwócona osmoza 44
45
46