Biotechnologia Wyklady lejczak id 89046

Uczelnia, wydział, kierunek:

Politechnika Wrocławska; Wydział Chemiczny; biotechnologia

Kurs, semestr, prowadzący:

Biotechnologia – wykład; semestr 09l; prof. Barbara Lejczak

Notatka zawiera:

Zagadnienia z wybranych wykładów; wersja robocza nie zawiera wzorów i schematów.

Uwaga:

Notatkę można używad tylko w celach niekomercyjnych. Notatka może zawierad błędy
lub byd niekompletna. Każdy korzysta z niej na własną odpowiedzialnośd.

Więcej notatek na stronie:

http://www.sny.one.pl/

e-notatka -
Biotechnologia -

wyklad.pdf



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

Autorka notatek:

Hanna Siwiec,

Pomoc fotograficzna: Jarosław Zaklika,

Skład tekstu:

Mateusz Jędrzejewski.

sny@sny.one.pl

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

Wykład 4. – 24.03.2009 r.

1. INAKTYWACJA (12 enzymów):

a) N-acetylacje,
b) O-acetylacje,
c) O-fosforylacje.

2. UTRUDNIENIE TRANSPORTU (modyfikacja przepuszczalności błony).
3. SPONTANICZNE MUTACJE.

WYKRES

Przemysłowy proces oczyszczania streptomycyny

→podłoże hodowlane(50 m

– 5,5 g/l antybiotyku)

↓

→kolumna z Amberlitem (1900 l poj.)

↓

→streptomycyna + Amberlit (270 kg)

↓1) wymywanie 1135 l EDTA (100 g/l)

2) woda + CO

→ wymywanie H

3) wymywanie 2,5 N H

do pH 5,0

→wodny r-r siarczanu streptomycyny (2700 l → 90 g/l)

↓1) węgiel aktywny
2) zagęszczanie pod próżnią
3) suszenie

→275 kg siarczanu streptomycyny o czystości 98% (→215 kg antybiotyku)

Zastosowania antybiotyków peptydowych

AKTYNOMYCYNA

Najsilniejszy środek p-rakowy

Hamuje syntezę DNA i RNA

BACITRACYNA

p-bakteryjny

Działa na śc.kom., nośnik
lipidowy

BESTATYNA

Immunostymulator p-rakowy

Inhibitor AP

BLEOMYCYNY

Antybiotyk o szerokim
spektrum, p-nowotworowy

Hamuje syntezę DNA, RNA
i białka

CYKLOSPORYNY

Immunosupresory, w
transplantacjach

DRAZOMYCYNY

Rak przewodu pokarmowego i
tkanek miękkich

Antagoniści Gln, synteza puryn

NETROPSYNA

p-fagowa, p-wirusowa, p-
ślimakom

DNA, RNA, białko

NICYNA

p-pierwotniakom,
antymalaryczna

POLIMYKSYNY

Infekcje przewodu moczowego

Działa na błony

VALINOMYCYNA

Nośnik K

, rozprzęga

fosforylację oksydacyjną

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

1. cykliczne np. Ituryna A,

WZÓR

2. laktony np. aktynomycyna,

WZÓR

3. depsipeptydy np. valinomycyna,

WZÓR

4. krótkie – liniowe np. bialofos,

WZÓR

Trudności przy produkcji związków cytotoksycznych

1. generalna toksycznośd – koocowe stężenie otrzymywanego produktu bardzo niskie,
2. wydzielanie z rozcieoczonego roztworu i oczyszczanie,
3. utrzymanie chemicznej i biologicznej aktywności podczas produkcji i oczyszczania bez narażania

się na skażenie.

4. detoksyfikacja ścieków

a) instalacje pilotowe i fermentory przemysłowe:

bariery biologiczne (systemy filtrów),

sterylizacja odpadów stałych i ścieków (temp, pH, redestylacja rozpuszczalników).

Proces wprowadzania nowego leku przeciwnowotworowego

(od znalezienia do zastosowania w terapii 7-12 lat)

1. izolacja.
2. preskrining – P

388

mysia leukemia, inhibicja enzymów.

3. testy in vivo: modelowe mysie nowotwory (okrężnicy, piersi, płuca, B16 melanoma, nowotwory

ludzkie przeniesione na immunodefektywne „nagie” myszy).

4. przygotowanie do podawania leku per se lub dożylnie – badania toksykologiczne na zwierzętach.
5. I faza badao klinicznych – toksycznośd, aktywnośd, maksymalna dawka tolerowana przez

człowieka.

6. II faza badao klinicznych – potencjalne możliwości zastosowania, dawki.
7. III i IV faza badao klinicznych – aktywnośd w stosunku do różnych nowotworów.

↓

Opracowanie i dopracowanie procesu przemysłowego, badania genetyczne, optymalizacja procesu
produkcji

Antybiotyki przeciwnowotworowe pochodzenia mikrobiologicznego

Ansamycyny – Nocardia sp., N. meditenarei, WZÓR
Antramycyny – Streptomyces, WZÓR
Neotamycyny, WZÓR
Mitosan – mitomycyny, WZÓR
Bleomycyny
Antracykliny – Streptomyces (Daunorubicyna, Adriamycyna, Carminomycyna)

WZÓR

Produkcja daunorubicyny met. Fermentacyjną

Schemat

Adriamycyna

Schemat

Nukleozydy (Streptomyces)

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

Pirolopirymidyny, pirazolopirymidyny, σ-azacytydyna,

wzorki

→powinowactwo i specyficznośd do receptora
→aktywnośd katalityczna

Lata 80-te XX wieku – asparaginaza
(białaczka limfoblastyczna u dzieci)
- modyfikacja PEG (PEGylacja)
1987 – pierwszy rekombinowany lek enzymatyczny ACTIVASE

(tkankowy aktywator plazminogenu)

dopuszczony przez FDA (Food and Drug Administration) w USA
Orphan Drug Act – 1983 USA, również Europa
- Enzymatyczne terapie uzupełniające
- ALDURAZYM

- deficyt α L-iduronidazy

- PHENYLASE

– rekombinowana amoniakoliaza fenyloalaniny z drożdży → fenyloketonuria

- transgeniczne lipazy z kukurydzy – choroby trzustki
- Thera CLEC Total

(lipaza, amylaza, mieszanina proteaz)

- PULMOZYME

(dornaza α) – upłynnia śluz gromadzący się w płucach (inhalacje)

Enzymy proteolityczne i glikolityczne do leczenia uszkodzeń tkanek

- DEBRASE – żel – mieszanina wyekstrahowana z ananasa 2002 – druga faza badao klinicznych
- VIBRALASE

(rekombinowana vibrolizyna – Vibrio proteolytius)

Enzymy w leczeniu chorób zakaźnych
Lizozym, RN-aza A, RN-azaU
Enzymy w leczeniu nowotworów
- asparaginaza
- ADEPT – antibody directed enzyme prodrug therapy
- RASBURICASE – hydrolizuje kwas moczowy (5 różnych leków działających w ten sposób)

Siedrofory

schemat

Budowa chemiczna sideroforów
Grzyby i bakterie → kwasy hydroksamowe
Bakterie → fenolany
Kwasy hydroksamowe –

wzory

fenolany –

wzory

Siderofory o aktywności antybiotycznej – sideromycyny

Wzory

Jedyny produkowany na skalę przemysłową – DESFERIOKSAMINA B – DESFERAL
Mutant – Streptomyces pilosus
Zastosowania:
- zatrucia Fe
- hemochromatozy
- diagnoza wczesnych stanów hemochromatozy
- usuwanie innych metali (pierwiastki promieniotwórcze!) → encefalopatia dializacyjna
- pozamedyczne: -Pseudomonas putida – PSEUDOBAKTYNA

-Rhizobium

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

Wzory

- dehydrogenacje

- epoksydacje
- estryfikacje
- izomeryzacje
- hydroliza acetali
- hydroliza estrów
- hydroliza epoksydów
- hydroksylacje
- oksydacje alkoholi i ketonów
- redukcja ketonów i podwójnych wiązao

Biokonwersje o znaczeniu praktycznym

→ 11-hydroksylacje (Rhizopus arrhizus, R. nigricans) (pierwsza opisana w 1952 r.)
Progesteron →11 α hydroksyprogesteron 85%
Progesteron → 6 β 11 α dihydroksyprogesteron 6%
→ 1-dehydrogenacje (Arthrobacter simplex, B. sphaericus, Nocardia, pleśnie: Septomyxa affinis,
Fussarium solani)
Hydrokortizon → Prednizolon
→ 16-α-hydroksylacje (Streptomyces roscochromogenes)
3 α fluorokortizon → 16 α hydroksy 8 α fluoro kortizon + 2 β 16 α

Nowe trendy w biotechnologii dla medycyny

1990 – USA HUMANE GENOM PROJECT (HGP)
(15 lat ~3 mld par zasad)
1999 – zmapowano 100 tys. genów
Sekwencje2/3 genomu ~2 mld $
2004 – „genom pod klucz” – 20-25 tys genów (2001-30-35 tys)
Perkin Elmer – wielokanałowy kapilarny sekwenator DNA (100 mln par zasad / doba)
Inst. For Genomie Research – zbadanie genomu ludzkiego w 3 lata i to 10x taniej

Technologia rekombinowanego DNA (recDNA)

Systemy do otrzymywania białek – transgeniczne organizmy
- E.coli – prokariotyczny
- drożdże – eukariotyczny CLONTECH, STRATAGEN
- hodowle komórek ssaków CHO, BHK, małpie
- komórki owadzie – INVITROGEN – system bakulowirusa, k. dmy kalifornijskiej i jedwabnika, muszki
owocowej
- „żywe bioreaktory” – ekspresja heterologicznych białek w gruczołach mlecznych myszy, królika,
owiec, krów i kóz GENZYME, TRANSGENICS Corp. 1-40gbiałka/l mleka
- transgeniczne rośliny – MONSANTO

- leki białkowe, szczepionki

- przeciwciała monoklonalne

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

Technologie wytwarzania przeciwciał monoklonalnych

*technika hybrydoma
↓Testy diagnostyczne
↓Nośniki leków
↓podwyższenie „pasywnej obrony organizmu”
(transgeniczne myszy XENOMOUSE – ABGENICS Inc.)

Szczepionki

- rekombinowane antygenowe
- hybrydowe (wirus, bakteria)
- antyidiotopowe
- hybrydowe białkowe
- antygenowe syntetyczne peptydy
- szczepionki DNA (pierwsza szczepionka p-malaryczna)
(1999 r. – w fazie klinicznej szczepionki p-bakteryjne, p-nowotworowe, p-wirusowe, p-AIDS,
pozainiekcyjne – w jadalnych roślinach)

Terapia genowa

- genetyczne szczepionki p-rakowe
- heterogenizacja
- geny samobójcze
- geny supresorowe i antyonkogeny
- geny oporności wielolekowej
- strategia antysensowa i rybozymowa
1998 – 22merowy tiofosforanowy analog nukleotydu zatwierdzony przez amerykaoska agencję FDA –
VITRAVENE – lek przeciw ślepocie (wirus CHV)
- technika SELEX – strategia aptameryczna

Biochipy DNA (DNA BIOCHIP)

→ precyzyjna analiza mutacji w badanych próbkach DNA lub RNA – diagnostyka chorób genetycznych
= nowotwory, mukowiscydoza, anemia sierpowata, Alzheimer, stwardnienie rozsiane
→ „metryki genetyczne”
2000 r. – Brytyjskie Biuro Patentowe przyznaje patent na klonowanie embrionów (w tym ludzkich) –
INSITUTE-ROSSLIN
Zarodek ludzki został uznany za wynalazek (?)

Blastocysta ~140 komórek – Geron Bio Med

↓

Pierwotne komórki zarodkowe

↓

Różne tkanki

Tabele



e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

Wykład 5. – 31.03.2009 r.

Browarnictwo – najstarszy proces biotechnologiczny

1. słód jęczmienny – ekstrakcja
2. gotowanie z chmielem
3. chłodzenie i fermentacja (drożdże)

Niemcy – Bawaria Purity Law – 1200 browarni – 5000 gatunków
Słód → (zboże) jęczmieo – kiełkowanie (6-9 dni) i przerwanie rozwoju zarodków przez wysuszenie
(synteza enzymów hydrolitycznych – rozkład endospermy nasion – skrobii, białek zapasowych)
Kontrola: wilgotnośd (44-47%), O

→ zmiany procedur: moczenie – zmiękczanie, temperatura, kwas giberelinowy (regulacja i
przyspieszenie kiełkowania)
*stopieo słodowania – dotyczy 3 głównych polimerów endospermy:
β glukan, pentozany (śc.kom.)
hordatyny
skrobia
*indeks modyfikacji → stopieo solubilizacji białka

→ stopieo przekształcenia polisacharydów ściany komórkowej →

niskocząsteczkowe cukry

→stopieo degradacji skrobii

*suszenie słodu: 50-60˚C

71˚C

stopniowo strumieniem powietrza

71-82˚C

Chmiel → suszone kwiatostany (substancje smakowe – gorzkie i bakteriostatyczne, humulony,
lupulony) – ekstrakty chmielowe

wzory

Woda → ścisła kontrola jakości (węgiel aktywny, żywice jonowymienne)
Ca

- ochrona α amylazy przed termoinaktywacją

- stymulacja proteaz i amylaz
[CaSO

, gips, mieszanki soli Ca

)

Produkcja brzeczki
*zacieranie = ekstrakcja (mieszanie z ciepłą wodą – inkubacja)
(cukry proste i dekstryny, aminokwasy, peptydy, białka, witaminy, nierozp.zw.P, polifenole i ich
prekursory)
- jest niestabilna mikrobiologicznie, tworzy ciężkie osady
*filtracja
*kocioł i gotowanie z chmielem
(ekstrakcja składników chmielu, dezaktywacja enzymów, precypitacja zw.azotu, sterylizacja,
odparowanie wody)
Zamiast gotowania: ogrzewanie 85˚C, silne mieszanie (nieekonomiczne)
*chłodzenie do 8-10˚C (powietrze, woda, mieszaniny chłodzące)

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

Fermentacja
Saccaromyces usarium (carlsbergensis)

Saccaromyces cerevisiae

↓

Lager

ale

(fermentują na dnie, 7-15˚C)

(fermentują na powierzchni, 18-22˚C)

gen MEL → egzokomórkowa
α galaktozydaza – melibiaza
rozkład cukrów: sacharoza, glukoza, fruktoza, maltoza, maltotrioza (2 ostatnie – główne cukry
brzeczki, wewnątrzkom.)
produkty:
alkohole (EtOH i wyższe-fuzlowe),
estry (AcOEt), związki karbonylowe i acetaldehyd,
diacetyl, pentan-2,3-dien (smak maślany, miodowy, toffi),
związki siarki (H

S, SO

, siarczek dimetylowy (lager))

Oddzielenie drożdży – wirówki, leżakowanie 2-6˚C, na 4 miesiące, pasteryzacja, filtracja (osady
koloidalne)

Enzymologia produkcji piwa

→ produkcja słodu
Słód jęczmienny – własne enzymy: α i β amylazy, solubilaza β glukanu, β glukanaza, endopeptydazy)
Ograniczony przedział temperatur – możliwośd kontroli stopnia rozkładu skrabii, białka, β glukanu
Metoda dekokcyjna i infuzyjna – zaawansowana proteoliza

Przerwa białkowa – 20’-2,5h, 45-53˚C

Przerwy cukrowe – 30’-90’, 65-66˚C

↓

↑

Główna reakcja → hydroliza skrobii

→ zacieranie
63-65˚C – stabilizacja amylaz słodu: jonami Ca, wysokim stężeniem substratu, pH 5-6

-inaktywacja proteinaz

*produkcja piwa nisko- i bezalkoholowego ;)
72-75˚C – inaktywacja β amylazy słodu
+ termostabilna α amylaza bakteryjna
+ β glukanaza

↓

Ekstrakt o odpowiednim niskim stężeniu cukrów fermentacyjnych w brzeczce
- zastosowanie surowców niesłodowych – ryż, kukurydza – mogą stanowid 10-50% zasypu (z
wyjątkiem Niemiec – tu prawo zabrania!)
Teoretycznie – w pełni wartościowa brzeczka bez słodu
→ bakteryjne i pleśniowe preparaty enzymatyczne
a) α amylaza bakteryjna – BAN 120L Novo Nordisk, BREWERS AMYLIQ Gist Brocades, ALFA AMYLAZE
Solway
b) β glukanaza bakteryjna – CEREFLO Novo Nordisk
c) β glukanaza grzybowa – AMB/GLUCANASE XL Biocatalyst Ltd.
d) bakteryjna proteinaza neutralna – NEUTRASE Novo Nordisk

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

e) mieszanka enzymatyczna – BREWERS FLOW Gist Brocades, CEREMIX Novo Nordisk
- MUTAREX (Novo Nordisk) – (dekarboksylaza …) (→ diacetyl) – przyspiesza dojrzewanie piwa
- OKSYDAZA GLUKOZOWA (rozp. i immobil.) – obniza stężenienie O

rozpuszczinego w piwie lub

usuwa go z powierzchni w butelkach i puszkach
Warunki odżywcze:
s.m.drożdży 46%C, 38%O8,5%N, 6%H, 7,5% popiół

↓

200g sacharozy → 100g drożdży

*Źródła C: cukry „fermentujące”: glukoza, fruktoza, mannoza, galaktoza, sacharoza, maltoza
Systemy transportu:
→ monosacharydy: ułatwiona dyfuzja lub nośniki (3 rodzaje)
→ disacharydy: sacharoza (inwertaza w przestrzeni periplazmatycznej), maltoza (ułatwiona dyfuzja
lub aktywny transport)
Asymilacja tlenowa: CKT, cykl pentozoP, glikoliza
*Źródła N: wodne r-ry NH

, sole amonowe, hydrolizaty białka,NO

i NO

nie są asymilowane

System transportu: K

zależny, (→ Glu, Gln)

*Sole nieorganiczne:
P- H

- aktywny transport, K

- PO

- Na

K – aktywny transport, H

Mg, Ca – aktywny transport
S – SO

, aktywny transport

*witaminy: grupa B complex (biotyna, kwas pantotenowy, inozytol, tiamina, pirydoksyna, niacyna)
*zapotrzebowanie na tlen: 1g O

→ 1g drożdży

Drożdże piekarskie

3 fazy produkcji:
- stadium czystych kultur
- generacja I
- generacja handlowa

- hodowla za skosów do kolb z płynną brzeczką słodową (200ml)
- kolby o 10x większej objętości
- fermentor z brzeczką melasową – propagator (okresowe, kilkuminutowe napowietrzanie)
- separacja komórek, mycie wodą

↓

„mleczko drożdżowe” – drożdże zarodowe
- fermentor z pożywką melasową – kilkaset l, hodowla napowietrzana
- wirowanie, mycie wodą

↓

„mleczko drożdżowe”
- fermentor produkcyjny (2000-3000l) namnażanie drożdży, kontrola warunków, 12-18godz.,
separacja, przemywanie, odwodnienie
Sterylizacja brzeczki melasowej – fermentory ze stali kwasoodpornej, schłodzenie do 30˚C
- forma kremu

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

- prasowane 27-30% stałych drożdży
- suche 82-96% stałych drożdży

Szczepionki mikrobiologiczne, startery

Cel:
- utrzymanie w warunkach procesu technologicznego typowych cech danego produktu
- spełnienie przyjętych norm
- zapewnienie trwałościi jakości produktu
Drobnoustroje przemysłowe – cechy użytkowe:
- wydajnośd i szybkośd tworzenia produktu
- szybki wzrost
- stabilnośd genotypowa, fenotypowa, fagoopornośd
- wymagania pokarmowe
- tolerancja zmiennych warunków
- czystośd i łatwośd wydzielania produktu

- SEROWARSTWO: szybkie zakwaszanie → zwarty skrzep, czysty kwaśny smak, zwiększona proteoliza
- MAŚLARSTWO: szybkie i silne zakwaszenie, wytwarzanie substancji aromatycznych (diacetyl,
aldehyd octowy, lotne kwasy)

PRODUKCJA
- namnożenie w optymalnych warunkach
- standaryzacja składu gatunkowego (ustalenie proporcji)
- zabezpieczenie żywotności i właściwości biochemicznych
Forma szczepionki
→ drożdże dla przemysłu winiarskiego, gorzelnianego i browarnianego: skosy agarowe, hodowle
płynne, suszone, granulowane – pokryte specjalną ochronną polewą
→ startery dla piekarstwa: liofilizowane lub mrożone (Lactobacillus + Saccaromyces cerevisiae 100:1)
→ mleczarskie: mieszaniny szczepów, płynne, suszone, mrożone (-40˚C, -70˚C, ciekły azot -196˚C)

RHODIA FOOD BIOLACTA
- koncentraty, liofilizaty, tabletki (kefirowe, serowe, twarogowe, maślane, jogurtowe)
Chr. HANSEN
m.in. szczepionki DVS – Direct Vet Set (mrożony lub liofilizowany granulat) jednostkowe opakowanie
500g, -45˚C – aktywne 1 rok, 1g DVS = 5x10

jtk/g (żywe komórki)

Produkty uzyskiwane z mleka na drodze fermentacji: jogurt, kefir, maślanka, kwaśna śmietana,
niedojrzewające sery
Mikroorganizmy starterowe:
- Streptococcus cremoris = maślanka
- S. lactis = maślanka
- S. thermophilus = kwas, smak
- S. diacetylactis = maślanka
- Lactobacillus acidophilus = kwaśne mleko
- L. bulgaricus = kwaśne mleko (acetaldehyd)

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

- Leuconostoc cremoris = maślanka
- L. dextranicum = smak (acetoina)
Laktoza → glukoza + galaktoza → pirogronian → kwas mlekowy, ślady CH

COOH, CO

Główne produkty fermentacyjne

produkt

temp., czas

starter

Kwaśne mleko

37-40˚C, 16-18godz.

L. acidophilus

Maślanka

22˚C, 18godz.

S. cremoris lub lactis

S. diacetylactis lub Leuconostoc

Kefir

18-22˚C, 12godz.

10˚C, 1-3dni

„ziarna kefirowe”

Streptococcus, Lactobacillus

cancasicus,Leuconostoc,

drożdże

Kumys

28˚C, 2godz.

L. bulgaricus, Torulopris kolmii

Jogurt

43-45˚C, 3dni

S. thermophilus, L. bulgaricus

Kwaśna śmietana

22˚C, 18godz

S. cremoris lub lactis, S.

diacetylactis lub Leuconostoc

Lactobacillus – warunki bardzo beztlenowe → AcOH zamiast mleczanu

Leuconostoc dextranicum → kwas cytrynowy → pirogronowy → acetoina (zapach maślany) →
diacetyl → CO

L. bulgaricus i S. thermophilus → acetaldehyd (główny składnik smakowy jogurtu)

MLEKO

*kazeina – 80% białka (wrażliwa na precypitację kwaśną, solami,enzymami)

*białka rozpuszczalne (niewrażliwe na precypitację enzymatyczną)

*tłuszcze – zokludowane na micellach kazeiny

*laktoza → glukoza + galaktoza → pirogronian → mleczan (+ CH

COOH + CO

) (homofermentacja

mlekowa)

PASTERYZACJA HTST – high temperature short time 72˚C/15sek

(niszczy patogenne bakterie: Salmonella, Mycobacterium, unieczynnia enzymy mleka – bakteryjne
lipazy)

PROCEDURA UHT – ultra-heat-treated 141˚C/3sek (wtłaczanie między rozgrzane płyty)

Aseptyczne pakowanie (ok. 6 miesięcy poza chłodnią)



e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

Wykład 6. – 7.04.2009 r.

→ koagulacja – destabilizacja składników mleka (micelle kazeiny – 80% białka, rozpuszczalne białka,
tłuszcze, laktoza)→ zakwaszenie i/lub ogrzewanie
+ chymozyna – podpuszczka (renina) 1g/100kg mleka (-pepsyna, enzymy z Mucor, B. subtilis) → niska
aktywnośd proteolityczna – wysoka aglutynacja
→ ogrzewanie i oddzielenie serwatki – 38˚C Cheddar, 52˚C Swiss
→ nadawanie kształtu – prasowanie
→ solenie
→ dojrzewanie (działają bakterie, enzymy mleka, podpuszczka, dodane lipazy, pleśnie drożdże) 4-
15˚C kilka tygodni-2 lata
1874 – duoska firma Christian Hansen A/S – preparat podpuszczki cielęcej – chymozyny (dla serów
dojrzewających)
→ proteinazy koagulujące
→ lipazy (wzbogacają aromat)
→ β galaktozydaza (hydroliza laktozy serwatki)
→ lizozym (hamowanie fermentacji masłowej, Edam, Gouda)
→ katalaza (enzymatyczna „pasteryzacja” mleka)
→ koagulanty mikrobiologiczne zastępujące chymozynę – Mucor i transgeniczne bakterie
W Portugalii – podpuszczki roślinne ekstrahowane z kwiatów Cynara cardunculus

- filtrowanie, 30˚C (większe osady)
- klarowanie – sedymentacja, 28-30˚C, pompowanie przez sedymentator 7tys-50tys l/godz
- usuwanie bakterii, wirówki, 54˚C
- subpasteryzacja – 63-65˚C → 4-8˚C
- ultrafiltracja (sery miękkie)
- pasteryzacja 63˚C-30min / 72˚C-16sek
- dodatki – 0,02%CaCl

(lepsza koagulacja), NO

(Edam, Gouda, Swiss), kolor (barwniki pochodzenia

roślinnego), lipazy (Parmezan)
Serwatka – 90% objętości mleka

-zagęszczanie – odwrotna osmoza, ultrafiltracja

-frakcjonowanie

Max odzysk białka – denaturacja > 90˚C , pH 6-7 i precypitacja pH 4,4-5,5, wirowanie
Laktoza – krystalizacja po odbiałczaniu → hydrolizaty → syropy glukozowo/galaktozowe (kwaśna
hydroliza, enzymatyczna i jonit H

)

Komercyjnie – wytwórnie we Francji, Anglii, USA i Nowej Zelandii
-immobilizowana laktoza z Aspergillus Niger lub E. coli
→ do produkcji SCP z drożdży
→ etanol 1l EtOH z 42l serwatki
→kwas mlekowy, Lactobacillus bulgaricus
→napoje niealkoholowe – serwatka + soki owocowe + CO

Freshi – Szwajcaria (50% serwatki + soki

cytrusowe + cukier, woda 90˚C, pakowane do 0,5l butelek
→fermentacja niealkoholowa: cała lub odbiałczona serwatka – bakterie mlekowe
HACCP – hazard analysis critical control points
- system analizy krytycznych punktów zagrożenia (WHO – Światowa Organizacja Zdrowia I EEC)

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

- ma zapewnid prawidłowy stan mikrobiologiczny produktu poprzez zapobieganie zagrożeniom w
całym łaocuchu produkcji od surowców do opakowania i sprzedaży
Punkt krytyczny (CCP) – surowiec, miejsce, postępowanie itd., opakowanie, mycie urządzeo
1. Analiza ciągu produkcyjnego – wyznaczanie wszystkich aspektów procesu (źródło surowca,
sprzedaż…)
2. Identyfikacja CCP – miejsce, etap procesu związany z zagrożeniem mikrobiologicznym
3. Monitorowanie (szybkie, zautomatyzowane metody)

Obrazki

Substancje wzmacniające smaki

E621 – glutaminian sodu
E622 – glutaminian potasu
E623, 624, 625 (wapnia, amonu, magnezu)
E626 – kwas guanylowy (smak umami) (fermentacja lub hydroliza RNA)
↓
627, 628, 629
E630 – kwas inozynowy (z sardynek)
E634 – rybonukleotydy wapnia (smak i zapach mięsa)
E636 – maltol (~”karmel”, „świeżo pieczone pieczywo”)
↓
Gumy do żucia, pieczywo, ciasta, lody, dżemy, wina
E634 – L-Leu (drażetki, pastylki, cukierki)
BARWNIKI
E100 – kurkuma (musztarda, sosy, mrożone ciasta)
E140 – chlorofile (oleje, tłuszcze, przetwory warzywne)
E153 – węgiel drzewny (do cieniowania barwy)
E160 – karotenoidy
SYNTETYCZNE
E143 – zieleo trwała (marmolady cytrusowe, dżemy, galaretki, groszek konserwowy)
E151 – czero brylantowa (ikra rybia, nadzienie z czarnej porzeczki)

Metyloketony

WZÓR

Penicillium roquefortii – spory

REAKCJA

→ produkcja przemysłowa – bardzo kosztowna (są lotne, toksyczne dla grzybów)
→ techniki fermentacyjne – uzupełniane konwersjami enzymatycznymi
Diacetyl (2,3-butadion) CH

COCOCH

W rozcieoczonym roztworze – zapach maślany (przem. Spożywczy i perfumeryjny)
Obok powstaje też acetoina (

wzór

)

REAKCJA

Streptococcus lactis ssp. diacetilactis
Leuconostoc (na wydajnośd wpływa pH <5,5, niska temp. i napowietrzanie)
→ jest sprzedawany w USA jako produkt importowany z Francji (technologia nie jest znana)
Laktony – cykliczne estry γ i δ hydroksykwasów
Zapachy: brzoskwiniowy, śmietankowy, owocowy, orzechowy, kokosowy, miodowy

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

WZORY

Patent: drożdże Pityrosporum
Substrat: kwas olejowy, lecytyna
Kwas izowalerianowy (CH

)

CHCH

COOH

→ estry
- etylowy – zapach jabłkowy (cukierki, gumy do żucia)
- izopentylowy – zapach malinowo – jabłkowy
- izobutylowy – zapach malinowy
→ droga syntezy chemicznej (utlenianie alk. izopentylowego)
→ 2 potencjalne metody fermentacyjne
Zastosowania – mieszaniny smakowo zapachowe
→ mleczarstwo
- „zapachy serowe” – sosy, przekąski
- USA – skrócenie czasu dojrzewania sera z zachowaniem walorów smakowych
- sery niebieskie – preparat enzymatyczny z Aspergillus (przyspiesza tworzenie kwasów tłuszczowych
i δ laktonów)
- sery typu Cheddar – mieszaniny enzymatyczne
- płynne lub sproszkowane zawiesiny bakterii (Streptococcus, Acetobacter – 24 godz hodowli
tlenowej na mleku → pasteryzacja = dodatek)
- EMC – Enzyme Modyfied Cheese – procedury tajne: pełna gama „zapachów” – Cheddar,
szwajcarski, parmezan, mozarella itp.
→ zapachy „chlebowe”
Podczas fermentacji powstaje ponad 100 lotnych związków zapachowych (wyrastanie ciasta)
- uzupełnienie mąki – skrócenie produkcji

„ROCZNY RYNEK” ŚRODKÓW ZAPACHOWYCH I SMAKOWYCH
W 1994 – 9,7 mld $
Znanych jest 10000 syntetycznych środków zapachowych, stosowanych jest kilkaset, 400 jest
produkowanych w skali >1tony rocznie

WNILINA

BENZALDEHYD 4(R)-DEKANOLID – wiele ton rocznie

↓

Koniec XIX w. 1837-Liebig, Wöhlen – pierwszy związek zapachowy

↓

Syntetyczna – 12$/kg, naturalna (ekstrahowana) – 4000$/kg

Metody biotechnologiczne

→ jednostopniowe biotransformacje
→ biokonwersje
→ synteza de novo

Wykorzystanie lignin – ich składników do produkcji waniliny procesie biotransformacji kwasu
ferulowego przez grzyby – podstawczaki

REAKCJE

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

Wanilia i wanilina nie znana do czasów Corteza(1520)
Do 1816 izolowana z nasion wanilii
1874 – poznano strukturę
Konsumpcja 12000ton/rok ~50ton z naturalnych źródeł
Met. biotechnologiczne – „identyczna z naturalną” (wykorzystanie szlaku metabolicznego
charakterystycznego dla roślin – funkcjonującego w niższych organizmach)

MIKROLBIOLOGICZNA DEGRADACJA Phe
Grzyby – podstawczaki

REAKCJE

Benzaldehyd (gorzkie migdały) – aromat identyczny z naturalnym
Benzaldehyd jest uwalniany z cyjanogennego glikozydu – amigdaliny (nasiona pestkowców) (uwalnia
się HCN jako produkt uboczny) → aromat naturalny

NOOTKATON I 4-DEKANOLID (owocowo-„tłusty”)

WZORY
JAKAŚ TABELKA

4-dekanolid – główny składnik smakowo-zapachowy truskawek, brzoskwio i moreli (również w
produktach mleczarskich i fermentowanej żywności)
Proces produkcyjny od 1990r
Cena naturalnego produktu – 1200$/kg
Z naturalnych źródeł roślinnych – 20000$/kg

TABELKI

PRODUKCJA SCP (single cell protein)
- dodatek do żywności
- dodatek do paszy
Mikroorganizmy o szerokim spektrum zdolności do wykorzystywania różnych substratów i szybkim
wzroście (czas generacji 20min-2godz. + drożdże, pleśnie, wyższe grzyby – 2-16godz.)
*Alcaligenes faecalis i Cellulomonas sp. – celuloza (Luizjana)

↓glukozydazy

↓celulazy

Cukry rozpuszczalne ← celuloza
*Pseudomonas, Hyphomicrobium, Acinetobacter, Flavobacterium

↓ CH

SCP

*Surowce wtórne jako substraty
-wytłoki trzciny cukrowej, ścieki z papierni, ługi posulfitowe (glukoza, celuloza, laktozy) –
Cellulomonas, Thermonospora fusca
-obornik kurzy, bydlęcy, świoski (mocznik, kwas moczowy, białka i niebiałkowe zw. N) – Ps.
fluorescens, Rhodopseudomonas sp.
-melasy i cukry trzciny cukrowej i buraków, ścieki z przeróbki owoców
-serwatka (laktoza) – Acetomonas hydrophilus
-odpady z przeróbki mięsa (kolagen, niebiałkowe zw.N) – Bacillus megaterium
-inne surowce
*węglowodory – Achromobacter deliactate (n-alkany)

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

*gaz opałowy – Pseudomonas 5401 (n-alkany)
*n-parafiny (ciekłe) – Cerynebacterium (n-propan)
*n-parafiny (gazowe) – Nocardia paraffinica (n-butan)
*etanol – Acinetobacter calcoaceticus
*metanol – Methylophilus mathylotrophus, Maethylomonas clara (Moedist “Probion”)

*Grzyby nitkowate do produkcji SCP
-odpady skrobiowe, celulozowe, serwatka
Finlandia – Pekilo – Paecilomyces variotti

→ projekt: zżelatynizowana skrobia (jęczmieo) amylolityczny szczep Rhizopus oligosporus –
„mięso”(1981r.)

Tłuszcze i oleje z mikroorganizmów

(soja-16% oleju, 15mln ton rocznie z 60mln rocznego zużycia, USA-65% światowej produkcji, Brazylia-11%
Rośliny oleiste: soja, orzeszki ziemne, bawełna, palmy, kokosy, słoneczniki, rzepak←Europa)
MIKROORGANIZMY OLEAGENICZNE → oleje podobne do roślinnych – C

i C

kw. tłuszczowe

DROŻDŻE– lipidy>20% biomasy – liaza cytrynianowi
Cytrynian + ATP + CoA → acetylo-CoA + AD + Pi + szczawiooctan
(acetylo-CoA nie musi byd wytwarzany w mitochondriach z Py)
U organizmów nieoleagenicznych brak tego enzymu
Kumulacja lipidów
- u organizmów oleagenicznych na podłożach, gdzie C:N=50:1
*hodowla stacjonarna – wyczerpanie N i kumulacja C w postaci lipidów
*hodowla ciągła – ograniczony dostęp N
(drożdże) → BIOLIPID (byłe ZSRR) – dodatek do olejów napędowych
BAKTERIE: mykobakterie i nocardie
Jedyny „dobry” szczep Arthrobacter AK19? (80% biomasy – triacyloglicerole – ale wzrost bardzo
podobny)
PHB – poli-β-hydroksymaślan
WZÓR
→ Anglia – BIOPOL – biodegradowalne tworzywo, termoplastyczne, własności piezoelektryczne
Alcaligenes entrophus – 70-80% biomasy
WOSKI – Acinetobacter
WZÓR
2-3% biomasy, własności tranu i jojoby
GLONY
Oleje – do 70% Chlorella pirenoidosa, teoretycznie 15-25g/l → 25ton/hektar/rok
Botrycoccus braunii (53% lipidów)
Botrykocen WZÓR
Kraking botrykocenu – 67% benzyna, 15% paliwo do turbin lotniczych, 15% diesel
Przyszłościowa metoda produkcji olejów napędowych???
SCO – Single Cell Oil – ma przewagę nad SCP – może byd zastosowany w technice – niepotrzebne
drogie badania toksykologiczne



e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

Wykład 7. – 21.04.2009 r.

L-Glu 370 tys ton rocznie
(kwaśna, ciśnieniowa hydroliza białek pszenicy) – dawniej

sole – wartośd smakowa (przyprawa)

Substrat w syntezach chemicznych

N-acyloglu – biodegradowalny surfaktant, nieszkodliwy dla skóry (mydła, szampony)

Amidy N-acyloglu – środki żelujące (dyspergowanie olejów – ochrona wód morskich)

Kwas oksypirolidynokarboksylowy – nawadniający (kosmetyki)

Szczepy: Corynebacterium, Brewibacterium, Microbacterium, Arthrobacter
Źródło C: różne cukry, przemysłowo: melasy, hydrolizaty skrobiowe
Źródło N: NH

Cl, (NH

)

, mocznik, NH

Proces tlenowy, biotyna – rola regulująca (poprzez zawartośd fosfolipidów w membranach)

L-Asp
-pierwotnie hydroliza Ans z soku asparagusa
-od 1958-met.fermentacyjne lub enzymatyczne z kwasu fumarowego (aspartaza)
-nośnik K

i Mg

w mięśniu sercowym (asparagina)

-sól K-

choroby wątroby

Sól Fe-anemia
-związki powierzchniowo-czynne
-B

+ Asp-kosmetyki

-sól Na-przyprawa soku pomaraoczowego
-aspartam (L-Asp-PheOMe)
→fermentacja (nie na skalę przemysłową) mutant auksotroficzny Brewibacterium flaum glukoza lub
fumaran (mała wydajnośd, patent przem.)
→enzymatycznie
-fumaran+wysuszone komórki E.coli 37˚C,18 godz.-88% L-Asp
-proces ciągły-przemysłowy (Japonia) (aspartam = amoniakoliaza aspar)
-kolumna-E.coli w poliakrylamidzie (120dni w 37˚C), E.coli w karageninie (2lata)
-1 i 2M fumaran amonu, 1mM Mg

, pH 8,5, 37˚C

Schemat procesu kolumnowego: 60% H

, chłodzenie 15˚C, wirowanie, przemywanie H

95% wydajności

Kwas cytrynowy

300tys ton rocznie (met. biol.)
(1784-Schelle-sok z cytryny)
-owoce cytrusowe, produkt pośredni CKT (wszystkie organizmy)
-metody chemiczne od 1889r. z glicerolu(drogie, niska wydajnośd)
-metody fermentacyjne-gatunki Penicilum (citromyces)
Pierwsze technologie-Anglia, Belgia, Czechosłowacja, Niemcy
-rynek światowy 300tys ton/rok
-wytwarzany jako monohydrat lub bezwodny
Zastosowanie:
-środki żywności, słodycze, napoje (75%)

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

-farmakologia (10%)
-przemysł (15%)
*kompleksowanie metali ciężkich Fe, Cu (stabilizator olejów i tłuszczy-zmniejsza procesy utleniania
katalizowane przez te metale)
*nie niszczy powierzchni metalowych (czyszczenie bojlerów i innych instalacji)
*stabilizuje kwas askorbinowy-daje efekt musujący z węglanami i dwuwęglanami (rozpuszczalna
aspiryna), jako anion w przypadku leków będących zasadami
*sól trójNa-stabilizacja krwi (kompleksje Ca

zapobiegając krzepnięciu)

-sól żelazoamonowa-anemia
-sól + kwas – mieszaniny buforowe (farmakologia, kosmetyka, przemysł spożywczy), usuwanie SO2 z
gazów odlotowych z ??? i pieców hutniczych (wzór reakcji, ale nie ważny)
-estry z różnymi alkoholami (tributylowe, trietylowe, acetylotributylowe)-plastyfikatory-folie do
pakowanie żywności
Fermentacja:
-Aspergillus niger

-ferm. powierzchniowa-melasa z buraków cukrowych
-ferm. wgłębna-melasa z buraków cukrowych lub trzciny cukrowej ewentualnie syrop

glukozowy
-drożdże Candida

-ferm. wgłębna-melasy lub syrop glukozowy

Proces powierzchniowy: A.niger (30% produkcji) stosowany najpowszechniej-szczegóły-TOP SECRET
→melasa + woda, pH 5-7; 150kg/m

; nieorg.składniki, żelazicyjanek, sterylizacja lub gotowanie

→seria „korytek” z czystego aluminium w wentylowanych komorach, dodatek podłoża (0,05-0,2m) +
spory (sterylne powietrze, „usuwanie” ciepła, temp30˚C)
→7-15dni-opróżnienie korytek i usunięcie myceliów, płyn hodowlany→sekcja oczyszczająca
Proces wgłębny: różne typy fermentorów, zbiorniki z mieszaniem i napowietrzaniem, fermentory
wieżowe → wymagają efektywnego chłodzenia temp. 25-37˚C pH 3,5 (NH

)

Proces fermentacji na podłożu stałym: Japonia; otręby pszenne, melasy

Kwas glukonowy

50tys ton/rok
-δ lakton-w proszku do pieczenia
-sole Na-czynniki maskujące Fe; NaOH+glukonian Na-alkaliczne odrdzewianie
-sole Ca-leczenie deficytu Ca
-sole Fe-leczenie anemii
-jako aniony w lekach z grupami –NH

Produkcja:
-met.chemiczne-utlenienie D-glukozy elektrochem. W obecności ??? lub O

+ katalizator

-met.fermentacyjne (wyparły obecnie met.chemiczne)
REAKCJE
*Aspergillus niger
*Acetobacter suboxidous (hodowle wgłębne), Glukonobacter
1)-glukoza lub syrop dekstrozowy
-sole amonowe, mocznik, namok kukurydziany
-PO

, K

, Mg

, pH 6-7 (NaOH) temp 30-33˚C, 19godz. – 109% (na 100kg glukozy)

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

2)-skrobia podhydrolizowana bakteryjnymi α-amylazami do dekstranu + syrop kukurydziany, K

HPO

30˚C, pH 6 (↓ 3-2), 24godz.
Oczyszczanie:
-klaryfikacja, dekoloryzacja, zagęszczanie (odparowanie)
-krystalizacja
-chromatografia jonowymienna – Amberlite

Kwas mlekowy

WZORY
-50% w piekarnictwie-zakwaszacz i środek konserwujący
-stearylomleczan-w przem.farmaceutycznym
-jako r-r 50% lub 88%
-silnie korozyjny (→pudry, proszki)
-synton w przem.farmeceutycznym
-polimleczan-biodegradowalne tworzywa (nici chirurgiczne)
-estry kwasów tłuszczowych-emulsyfikatory w piekarnictwie i kosmetyce
-do produkcji celofanu
-jako plastyfikatory (estry z alkoholami)
-do produkcji pewnych pestycydów
Większośd jest wytwarzana chemicznie. Pozostała fermentacyjnie – karmelizacja – zapach ???
Proces fermentacyjny: (taoszy niż met.chemiczne)
-homofermentacja mlekowa Rhizopus oryzae, Lactobacillus, Pedicoccus, Streptococcus
40˚C, pH 5-7 (fakultatywne anaeroby)
1cz.glukozy→glikoliza→2cz.kwasu mlekowego
Typowa wydajnośd 100g → 90g kwasu mlekowego
-może powstad D(-); L(+); racemat
Wymagane cechy „producenta” przemysłowego:
Szybki i efektywny rozkład taniego źródła C, minimalne zapotrzebowanie na źródło N, wysoka
wydajnośd jednego stereoizomeru w warunkach wysokiej temp., niskiego pH, niska zawartośd
produktów ubocznych.

Fermentacja przemysłowa-proces stacjonarny
→fermentory drewniane lub z nierdzewnej stali
→inokulum w oddzielnym fermentorze lub z poprzedniej szarży
→C-sacharoza, serwatka, dekstroza (większośd wytwórni przy cukrowniach trzciny cukrowej)
N-ekstrakt drożdżowy, namok kukurydziany
→1-2dni – 5% źródło cukru (serwatka)
2-6dni – 15% źródło cukru (glukoza, sacharoza)
→filtracja; dekoloryzacja (węgiel aktywny); odparowanie w 70˚C, 0,5atm; zakwaszenie mlecznu Ca
(69% H

); kolejna filtracja, zagęszczanie, dekoloryzacja

Polska – Akwawit Leszno (Lactobacillus delbruechii, sacharoza + kiełki/ekstrakt drożdżowy, 50-55˚C,
2-8dni

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

BIOTECHNOLOGIA „SPOŻYWCZA” W POLSCE
1)Wołczyn, Maszewo – produkcja osmofilnych drożdży piekarskich (Politechnika Łódzka – fuzja
protoplastów)
2)Rhodia Ford Biolacta – szczepionki (startery) mleczarskie
3)Leszno Akwawit – kwas mlekowy
4)Zgierz „Cytrokwas” – kwas glukonowy
5)Wałcz cukrownia, Biorol, Polfa – kwas cytrynowy

Konwersja skrobi kukurydzianej

W USA do 1972 – jedyny środek słodzący-sacharoza, →poszukiwanie taoszych cukrów
Amyloza 300-1000 reszt glukozy i amylopektyna (dodatkowe wiązania α-1,6←tu przestaje działad
βamylaza->oligo-1,6-glukozydaza) →cięte przez α amylazy
α-amylazy → enzymy dekstrynogenne (endoglikozydazy)

↓

Oligosacharydy (6-7cz. glukozy)

↓

Maltoza

β-amylazy → enzymy sacharogenne
SCHEMAT
Skrobia kukurydziana

↓ kwaśna hydroliza

Dekstroza (mało słodka, gorzka, kolor)
→Metody enzymatyczne
Skrobia → Bakteryjne α-amylazy→ dekstryny (stan ciekły) → dekstroza

↓grzybowe glukoamylazy

Sacharyfikacja → dekstroza

↓ izomeraza glukozowa

Fruktoza

→ od 1972 – proces ciągły z izomerazą immobilizowaną na stałym nośniku
Syropy fruktozowe HFCS (high fructose corn syrup)
-pierwsze -15% fruktozy
-obecnie – 42%, 55%, 90%
Proces technologiczny
1)zawiesina skrobii → żelatynizacja „kleikowanie” (wysoka temp.)
2)α-amylaza → przeprowadzenie w stan ciekły
3)zmiana temp. i pH, glukozamylaza → sacharyfikacja (reaktory o pracy ciągłej – 65-75godz. → 94-
96% dekstrozy)
4)izomeryzacja
Kolumny z immobilizowaną izomerazą glukozową (trwałośd – kilka miesięcy)
5)rafinacja
-szereg filtrów i kolumn z węglem aktywnym
-kolumny jonowymienne (usunięcie metali ciężkich, substancji popiołowych, barwy)
-dodatek Mg

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

6)druga rafinacja
-system: węgiel aktywny – wymieniacz jonowy

↓

42% HFCS → odparowanie → 71%

Proces produkcji TAKA-SWEET®FM (Miles Laboratories)
-immobilizacja całych komórek Flavobacterium arborescens
-wirowanie hodowli
-ogrzewanie biomasy („wewnątrzkomórkowa immobilizacja”)
-sieciowanie
PEI – polietylenoimina
-dodatek chitozanu
-dodatek glutaraldehydu
-odwodnienie przez filtracje
-„nadawanie kształtu”
-suszenie
IGI – immobilized glucose isomerase
SWEETZYME® - Bacillus coapulans NOVO INDUSTRI
MEXAZYME® - Actinoplanes
LETOZYME®
OPTISWEET®22

Enzymy w procesach biotechnologicznych

1981 – ok 65000 ton ~400mln $
(Dania (50%), Holandia (20%), USA (12%), Japonia, Niemcy, Francja, Szwajcaria, Anglia)
ENZYMY PROTEOLITYCZNE
Proteazy – hydrolazy peptydowe
→ peptydazy
-aminopeptydazy
-dipeptydazy
-karboksypeptydazy:

-serynowe
-metalozależne

→ proteinazy
-serynowe
-tiolowe
-karboksylowe
-metalozależne

-pochodzenia zwierzęcego → podpuszczka
-pochodzenia roślinnego → papaina – Carica papaya; fizyna – Ficus carica; bromolaina – ananas
-pochodzenia mikrobiologicznego

SCHEMAT

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

Proteinazy serynowe – alkaliczne

-trypsynopodobne: -Streptomyces, -pankreatyna (przem.spożywczy, farmaceutyczny,

garbarstwo)

-alkaliczne (serynowe): pochodzenia bakteryjnego: subtylizyna (datergenty enzymatyczne)

Proteinazy tiulowe: papaina, bromelaina, ficyna

Proteinazy kwaśne:

-reninopodobne: podpuszczka cielęca i bakteryjna
-pepsynopodobne: wieprzowa i wołowa pepsyna, proteinazy z Aspergillus (hydroliza białek
soji → sos sojowy)

Metaloproteinazy:

-obojętne: z Bacillus (browarnictwo)
-alkaliczne: z Aspergillus (przem.spożywczy, farmaceutyczny, garbarstwo)

ZASTOSOWANIE:
-kontrola gorzkiego smaku w hydrolizatach białka
-hydrolizaty białek soji
-hydrolizaty żelatyny
-białka serwatki i kazeina
-białka mięsa
-białko rybie

Resztki po przeróbce ryb → rozdrabnianie → (+proteza i H2O) → hydroliza → denaturacja enzymu
(pasteryzacja) → przesiewanie (odrzucane łuski i ości) → teraz mamy 2 drogi:
1- zatężanie → suszenie → produkt częściowo rozpuszczalny
2- wirowanie (oddzielamy olej i ciała stałe) → zatężanie → suszenie → produkt rozpuszczalny
-detergenty enzymatyczne
-mleczarstwo
-browarnictwo
-garbarstwo
-inne: p.roślinne – w paszy, produkcja podłoży mikrobiologicznych, mieszanki poprawiające
trawienie, urokinaza – lecznicze, brinaza (A.aryzae), kolagenaza, lizostafina

Inne enzymy hydrolityczne

→depolimeryzujące polisacharydy: celulazy, β-glukanazy, hemicelulazy, ksylanazy, dekstranazy
→laktaza
→pektynazy – galakturanazy
→lipazy

PEKTYNAZY
Z Aspergillus niger (esteraza + liaza endopoligalakturonowa +poligalakturonaza)
→ekstrakcja soków owocowych
→przetwórstwo soków cytrusowych
Skórka → mielenie → 90˚C → chłodzenie → pektynaza → dostajemy naturalne substancje
zmętniające

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

„reszta” → sok ← pektynaza (obniżenie lepkości)

→ pulpa ← pektynaza: odzysk resztek soku; pektyna (naturalne środki zmętniające)

→ produkcja wina (skraca czas fermentacji o 30-50%)
CELULAZY
Aspergillus niger, Trichoberma reesei
Penicillium funiculosum, Rhizopus sp.
→endoglukanazy (G)

– (G)

→(G)

+ (G)

→celobiohydrolazy (G)

– (G)

n(red.)

→ (G)

+ (G)

n(red)

→β glukozydazy (G)

→ G + G (+małe dekstryny)

*alkohol et. z celulozy
*”obróbka nasion” , browarnictwo, przetwórstwo owocowe
*wydzielanie wielocukrowców glonów morskich

→β-glukonaza β 1→3/β 1→4
Hydroliza glukanu jęczmienia (jęczmieo, Peniclium emersonii)
Bacillus amyloliquefaciens → komercyjnie
→β-glukanaza β 1→3/β 1→6
Poliglukan wytwarzany przez Botrytis cinerea atakujący winogrona
→dekstranazy
(Leuconostoc mesenteroides → dekstran)
Komercyjne dekstranazy: endo α1→6 glukanaza z Penicilium lilacinum, z Penicilium funiculosum
→Laktaza – β glukozydaza (β1→4)
Aspergillus niger, Bacillus sp., Klugveromyces lactis, Klugveromyces fragilis
SCHEMAT

LIPAZY
→drożdże Candida
→grzyby Aspergillus, Rhizopus, Mucor
→trzustkowe
-leki poprawiające trawienie
-produkcja mydła
-synteza chemiczna
-produkcja serów
-„zapachy” serowe i maślane
-cukiernictwo ( zapachy toffi, karmel)
-sztuczne śmietanki
-proszki enzymatyczne
-w paszy

PREPARATY ENZYMATYCZNE W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM
1)PRZETWÓRSTWO WARZYW I OWOCÓW
Technologie sokownicze – obróbka miazgi i owoców (zredukowanie lepkości, lepsze klarowanie)
Enzymy pektynolityczne, amylolityczne, celulazy, ksylanazy, glukanazy
Aspergillus niger – pektynazy (liaza pektynianowa (endo), poligalakturanaza (endo i egzo))
Preparaty handlowe pektynaz: (50-70g/t)

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

PEELZYME (Novo Nordisk) → ułatwia mechaniczne obieranie skórki → NOVO NORDISK, SOLWAY
ENZYMES GmbH, RÖMM, AMANO, SANKYO, PEKTOWIN – Jasło
WINIARSTWO
Preparaty pektynolityczne: RAPIDASE VINO, RAPIDASE CB, AR, VINEZYM, ULTRAZYM
INNE
Produkcja kiszonek, ekstrakcja barwników i zw.zapach., technologia kawy rozpuszczalnej,
przetwórstwo soji, oleje
Gluten – „substancja białkowa” – 80-90% białka; elastyczna, spoista, lepka, plastyczna
Gluten pszenny – (→odmywanie maki wodą); 40-50% gliadyna – protaminy; 35-40% glutenina –
gluteliny; 3-5% inne białka (duza zawartośd Glu, Gln, Pro, Leu, Ile; mało aminokwasów egzogennych)
SCHEMAT
PIEKARSTWO
Enzymy amylolityczne i proteolityczne
*α amylaza grzybowa: FUNGAMYL (NOVO NORDIKS), AMYLAZE P (GIST BROCADES), DEPOL 243
(BIOCATALYSTS Ltd), FUNGAL AMYLASE (SOLWAY ENZYMES GmbH)
*proteazy grzybowe z A.oryzae (endo- i egzo-) → aminokwasy intensyfikujące wzrost drożdży
(+barwa skórki)
*proteazy bakteryjne z B.subtilis – specyficznośd hydrolizy glutenu na spadek lepkości, mniejsze
wiązanie wody → produkcja krakersów
TECHNOLOGIA CIĄGŁEGO I SZYBKIEGO WYPIEKU
Związki utleniające S-S: bromian potasu, kwas askorb. → oksydaza sulfhydrolowa, oksydaza
glukozowa
Związki redukujące S-S: chlorowodorek Cys, siarczyny
Hemicelulazy, celulazy, amylazy, poteazy
Przedłużenie świeżości: α amylaza, glukoamylaza, lipaza, laktoza, serwatka

Przemysł skrobiowy i gorzelnictwo

Ok. 15% ogólnej wartości sprzedaży preparatów enzymatycznych (przem.syropiarski i gorzelnie rol.)
Technologia:

*- mielenie (suchych i mokrych) ziaren
**- oddzielenie frakcji skrobii
***-enzymatyczne upłynnianie i scukrzanie
*-kukurydza i pszenica – celulazy; fitaza (bezfitynowe namoki skrobiowe)
*** początkowo → kwasem – pH 1,5-2, 140-150˚C, 8-10min
Obecnie →kwasowo-enzymatycznie i enzymatycznie
-ogrzewanie skrobii (30-45% sm) pH 5,8-6 z termostabilną α amylazą i 75-100ppm Ca
strumieniem pary 105-107˚C , 5-8min
-chłodzenie do 95˚C
-dodatek enzymu – dekstrynizacja

Termostabilne α amylazy:
-THERMAMYL (B.licheniformis) NOVO NORDISK
-OPTITHERM
-G-ZYME 6995 (B.stearothermophilus) ENZYME BIOSYSTEM INC
-NERVANASE - MT RHONE –POULENC

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

Scukrzanie: syropy wysokiej konwersji (30% glukozy, 43% maltozy) – glkozoamylazy, α amylaza
pleśniowa (A.niger → OPTIDEX, SOLWAY, AMIGASE-Gat)
Pullulanazy – PULLOZYME – RHONE POULENC

MIESZANKI ENZYMATYCZNE: glukoamylaza, pullulanaza
AMNAZYME – RHONE POULENC
DEXTROZYME – NOVO NORDISK
LIZOFOSFATAZY – ułatwiają filtrację skrobii pszennej
FOSFATAZA KWAŚNA – przyspiesza scukrzanie skrobii ziemniaczanej
SYROPY MALTOZOWE (42%) I WYSOKOMALTOZOWE (do 60%)
Maltodekstryny scukrza się α amylazą (A.oryzae) lub β amylazą słodową

POLISACHARYDY POCHODZENIA MIKROBIOLOGICZNEGO
→ przemysł żywnościowy i farmaceutyczny (emulsyfikatory, stabilizatory, czynniki żelujące i
koagulujące, do tworzenia cienkich powłok pokrywających)
Polisacharydy – systemy klasyfikacji:
-wewnątrzkomórkowe – zapasowe
-strukturalne
-egzocelularne – otoczki i śluzy
-homopolisacharydy (pullulan, dekstrany)
-heteropolisacharydy (ksantan)
-rozgałęzione
-prostoliniowe
-anionowe (ksantan, alginian), obojętne (lewan, pullulan), kationowe
→żródła:
Gram (+), Gram (-), glony, grzyby
→substraty:
Glukoza, fruktoza, sacharoza, laktoza, zhydrolizowana skrobia, metanol, węglowodory,
Mycobacterium lactinolum – n-dodekan
Corynebacterium viscosus – n-alkany C

-C

→>20 różnych otrzymywanych na drodze fermentacji

produkt

substrat

mikroorganizm

alginian

Sacharoza

Azotobacter vinelandii

5-45

lewan

2% Sacharoza

Zymomonas mobilis

pullulan

5% Sacharoza

Aureobasidium

pullulans

50-60

ksantan

6% Sacharoza

Xanthomonas

campestris

galaktoglukan

6% Sacharoza

Zooglea ramigera

Kasntan → guma ksantanowa (żywica) m.cz. do 10

1980 → 8000 ton
W USA do otrzymywania ropy naftowej → 0,5kg polimeru/baryłki (1kg – 6-7$)
(D-glu, D-man, D-glukuronian, octan, pirogronian)
WZÓR

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

Lepkośd niezależna od temp. w zakresie 10-70˚C i stała w pH 6-9

Dekstran → polimer 6∙10

, - α-D-glukopiranoza

Komercyjnie produkowany – Leuconostoc mesenteroides i L.dextranicum, → ekstrakty
bezkomórkowe
WZÓR
→ produkcja sit molekularnych

Pullulan → *maltotrioza+x n, 5x10

-4x10

→lepiszcze, włókna, do powlekania powierzchni cienkim filmem
→niska rozpuszczalnośd dla tlenu → sieciowanie z innymi związkami → folie do pakowania
żywności zapobiegające utlenieniu
→Japonia – Azotobakter pullulans
WZÓR



e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

Wykład 9. – 5.05.2009 r.

Biotechnologia otrzymywania niektórych odczynników chemicznych

2000lat pne Asyria – etanol, kwas octowy – ocet
XIX w. – fermentacja acetono-butanolowa
1914 – Clostridium acetobutylicum – komercyjna produkcja acetonu i butanolu → substraty
skrobiowe
-pierwsze instalacje – USA – I Wojna Światowa (aceton – do produkcji kordytu)
-octan butylu – lakiery nitrocelulozowe (Du Pont)
-rozwój przetwórstwa rop naftowej – ropa tania, fermentacja nieatrakcyjna
-wzrost cen ropy – i co dalej?

KWAS ITAKONOWY (matylenobursztynowy)
(p.fermentacyjny – grzyby 15000ton/rok)
WZÓR
→1836 – destylacja kwasu cytrynowego
→1931 – Aspergillus, Rhodotomla
Metody chem. – wysoki koszt surowca, niska wydajnośd
*kopolimer z akrylonitrylu – dobre własności schnące
*styren/butadien/kwas itakonowy – siatki do pokrywania spodów dywanów
*dodatek do farb (lepsza przylepnośd)
*estry – utwardzacze
*sztuczne szkło
….+aminy → pyrrolidony (detergenty)
Proces fermentacyjny – znany od przeszło 80 lat
→Aspergillus terreus – fermentacja wgłębna (USA) lub powierzchniowa
→glukoza, sacharoza + źródło N ((NH

)

, NH

)

→melasa
→wydajnośd 56-65% - 100-180kg/m

→proces tlenowy, ograniczony dostęp Pi
REAKCJA
TABELKA

KWAS OCTOWY
→jeden z najważniejszych odczynników chemicznych rocznie produkcja 2,5 mln ton
→34-ty na liście najważniejszych chemikalia
→od 1950r – głównie na drodze syntezy chemicznej
- r-r wodny – ocet (10000 pne)
- najwcześniejsza wzmianka – Stary i Nowy Testament
→Vinegar – ferm.vin(wino); aigre (krainy)

łac. acetum – kwaśne wino

→najważniejsze metody otrzymywania :
- z naturalnych węglowodanów i biologiczne utlenienie alkoholu;
- sucha destylacja drewna

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

→ocet: jabłka, słód, winogrona, melasa, śliwki, (ocet winny – z tych źródeł – z fermentacji octowej
EtOH ma dodatkowe walory zapachowe i smakowe)
SCHEMAT

Otrzymywanie octu

Produkcja octu winnego
Bakterie fermentacji octowej: Acetobacter, Glukonoacetobacter
Proces wolny – Orleaoski – Metoda Francuska (met.powierzchniowa)
Drewniane baczki z winem, inokulacja octem winnym, 4 tygodnie, co tydzieo porcja wina, po 5
tygodniach odbiera się porcję octu i dodaje taką samą ilośd wina
-bakterie rosną na powierzchni – „mother of vinegar”
-modyfikacja: drewniane kratki, na których rozwija się zooglea (immobilizacja)
Proces szybki – w Niemczech (met.ociekowa)
Generator – drewniany lub okryty metalem, wypełniony bukowymi wiórami – na nich rozwijają- się
bakterie, od góry podawany jest roztwór alkoholu (złoże zraszane), od dołu – tłoczy się powietrze
Dodając 12% alkohol, otrzymuje się 98% konwersję do AcOH w ciągu 5 dni
Ten proces jest stosowany już przez około 1000lat.

BIOCHEMIA FERMENTACJI OCTOWEJ
1)Fermentacja octowa tlenowa
C

OH → *dehydrogenaza alkoholowa E1+→CH

CHO + H

O ↔ CH

CH(OH)

→ *dehydrogenaza

acetaldehydu E2+ → CH

COOH + H

2)Fermentacja octowa beztlenowa
Celuloza + mieszana mikroflora: bakterie celulolityczne i niecelulolityczne
+solubilizacja celulozy i hemiceluloz (gram (-), Bacteroides sp., Ruminococcus)
→kwasy alifatyczne (mrówkowy, octowy, propionowy, masłowy, walerianowy), kwas mlekowy,
bursztynowy, EtOH, CO

, H

)

Kwas mlekowy, bursztynowy, EtOH – substraty bakterii niecelulolitycznych → AcOH, CO

, H

Substraty: glony morskie, słoma kukurydziana potraktowana wstępnie 1% NaOH, ligniny

Wybór procesu:
Ocet – tlenowy
AcOH – beztlenowy (taoszy, niesterylny, bez napowietrzania)
W procesie biologicznym – 1,5t popiołu/t AcOH
Proces chemiczny – mniejszy nakład energii, ale ….

(fermentacja beztlenowa) CH3COOH – oczyszczanie produktu
*metody fizyczne: destylacja frakcjonowana, ekstrakcja
-w bioreaktorze, aby uniknąd inhibicji przez produkt → ciągły system ekstrakcji → żywice
jonowymienne, separacja membranowa
*rektyfikacja: →95% AcOH

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

Kwas propionowy i masłowy

-Głównie na drodze chemicznej i procesach petrochemicznych
-instalacje pilotowe do produkcji fermentacyjnej (oczyszczanie kosztowne, stężenie produktu niskie)
Propionibacterium, Veillonella, Clostridium – wolny wzrost
Rynek zbytu w USA
1981 – 50tys ton/rok – kw.propionowy
20tys ton/rok – kw.masłowy
Zastosowanie:
-sole kw.propionowego – p-grzybowe – konserwanty ziarna
-włókna celulozowe, herbicydy, perfumy, utwardzacze
-kw.masłowy – tworzywa celulozowe (estry), też w gumie do żucia, środki zapachowe
-przyszłośd: alternatywa dla paliw kopalnych – produkcja ketonów z obu kwasów – paliwa (Francja)

Etanol

-przemysłowe zastosowanie – 1800rok
-USA 1941 – 77% z fermentacji ~560mln litrów
-II WŚ – wzrost produkcji 4x (produkcja gumy syntetycznej i kordytu)
-po II WŚ – tanie źródło etylenu – synteza chem.
-1973 – embargo na ropę i wzrost cen – poszukiwanie alternatywnych paliw
-Przemysł fermentacyjny rozwinął się najintensywniej w Brazylii
-dzisiaj metody te dominują w krajach mniej uprzemysłowionych
3 klasy zastosowao przemysłowych:
-odczynnik (EtOH → butadien, etyloaminy, estry, CHCl

, chlorek etylu, aceton, acetaldehyd (→AcOH,

aldehyd krotonowy), etylen (→ polietery, surfaktanty, PCV, polistyren, polietylen)
-rozpuszczalnik
-paliwo
Fermentacja:
Substraty:
-sacharozowe – najdroższe
-skrobiowe – wstępna obróbka
-celulozowe – tanie, kosztowna obróbka
Drożdże – wydajne, odporniejsze
Termofilne: Clostridium thermosaccharosyticum, Thermoanaerobacter ethanolicus (pentozy jako
substraty?)
1g glukozy – 0,511g EtOH
Proces okresowy: 40-70godz.
Proces ciągły: dla ługów posulfitowych
Oczyszczanie: >50% kosztów całej produkcji
-dla przemysłu farmaceutycznego, kosmetycznego, chemicznego – 95%
-dla przem.-techn.
-absolutny – 89, 85%
-paliwo – 99,2%

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

ETANOL – PROCES FERMENTACYJNY
1)substraty sacharozowe
→sok z trzciny cukrowej – koszty transportu; Brazylia – 43%, ekstrakcja ciepłą wodą – 85-90% cukru;
125kg cukru z tony trzciny
→sok z buraków cukrowych – ciągła ekstrakcja wodą w 85˚C, 19-15% r-r cukru; 140-190kg cukru z
tony, pulpa celulozowa – pasza
→wysokocukrowe melasy – zatężone r-ry cukru, częściowa hydroliza rozcieoczonym kwasem →
sacharoza → glukoza +fruktoza
→”koocowe melasy” – niekrystalizujące pozostałości z produkcji cukru spożywczego (17%
niefermentującego materiału)
→słodkie sorgo
→serwatka
2)substraty skrobiowe (taosze, wstępna obróbka → rozpuszczanie i konwersja do cukrów
fermentujących)
→nasiona zbóż, skrobia bulw, niektóre kaktusy
Skrobia – uwodnienie i żelatynizacja, (mielenie i gotowanie) obróbka enzymatyczna, rozcieoczone
kwasy (20% kosztów produkcji EtOH)
(kukurydza – USA, pszenica, jęczmieo, żyto, sorgo, ryż, bulwy ziemniaka, manioku, karczocha)
3)substraty celulozowe: (ograniczenia kosztami transportu, tanie jako odpady, bardzo kosztowna
obróbka wstępna)
-celuloza, hemicelulozy, ligniny
→ścieki celulozowe z papierni
→ścieki posulfitowe (z produkcji pulpy papierowej) → usunięcie toksyn
Dwa procesy hydrolizy:
a) wolna kwaśna hydroliza
0,2-1% H

(Scholler) lub 40-45% H

(Bergins)

↓

500kg cukru z 1 tony materiału drzewnego
-hydroliza w kotłach (14t vol) kwaso- i ciśnienioodpornych – 350kPa – 1135kPa, ogrzewanie parą,
perkolacje kwasu, całkowita hydroliza – 2,5-3,5godz.
-neutralizacja wapnem (Nowa Zelandia, Rosja, Brazylia)
-wymaga 0,65kg H

i 0,5kg wapna/kg cukru

b) szybka kwaśna hydroliza
3450kPa, 240˚C, 0,5% H2SO4 → 60% konwersji cukru w ciągu 60sek.
(instalacje pilotowe w USA)
c) hydroliza enzymatyczna
niska temperatura i ciśnienie (koszty ↓), nie trzeba neutralizowad, cukry nie ulegają dekompozycji
INSTALACJE PILOTOWE
Mikroorganizmy celulolityczne: grzyby: Fusarium, Phanerochaete, Trichoderma (endo- i
egzoglukanazy – celobioza i β-glukanazy – celobioza → glukoza)
Wstępna obróbka: mielenie i delignifikacja (ekstrakcja)

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

Biodegradacja celulozy

Enzymy celulolityczne:
-endoglukanaza
-egzo-β-1,4-glukanaza
-celobiohydrolaza
-β-glukozydaza
RYSUNEK

FERMENTACJA
→głównie drożdże – wydajne, odporne i większe niż bakterie; ślady produktów ubocznych
→termofilne: Clostridium thermosaccharolyticum, Thermoanaerobacter ethanolicus
Wykorzystanie pentoz nieprzyswajalnych dla drożdży? Produkty uboczne, warunki tlenowe
→bakterie Zymonas mobilis – fermentacja glukozy 10% wyższa niż drożdży, mniejsza odpornośd na
EtOH, trudniejsze do odwirowania
Ideał: szybka fermentacja, wykorzystanie pentoz, wysoka tolerancja na EtOH, dobre właściwości
flokulacyjne
Cechy drożdży (wymagane): szybki wzrost, szybka fermentacja, wysoka wydajnośd EtOH, tolerancja
na EtOH i glukozę, osmotolerancja, niskie optimum pH, odpornośd na stres chemiczny i fizyczny
C

→ 2C

OH + 2CO

+ ATP

1g glukozy → 0,511g EtOH
(reakcje uboczne → tworzenie biomasy → zużycie glukozy)
Dodatki: NH

Cl, MgSO

, CaCl

, ekstrakt drożdżowy

→proces okresowy:
*aktywne inokulum
*szereg reaktorów o wzrastającej objętości, warunki tlenowe – 5bilionów komórek/1litr – 5godz.
*fermentacja – 40-70godz. W zależności od surowca
*destylacja
*mycie fermentora
> proces Mellé-Boinot
Krótszy czas, zwiększenie wydajności – zawracanie drożdży do następnego cyklu, stosowany w
Europie dla fermentacji melas
→proces ciągły:
Dla ługów posulfitowych (które są aseptyczne same w sobie)
OCZYSZCZANIE
Energochłonne > 50% kosztów produkcji drogą fermentacji: różne destylacje np. azeotropowa z
benzenem
Problem odpadów pofermentacyjnych: wywary pogorzelniane
-pasza
-fermentacja beztlenowa → 65% CH

, CO

, NH

Produkcja biogazu z wywarów

-z melasy – 290l gazu/ l EtOH
-ścieki posulfitowe – 290l gazu/l EtOH
-skrobia kukurydziana – 80l gazu/l EtOH

-nawóz (zapach!)

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

Aceton i butanol

Clostridium acetobutylicum – Weizmann – patenty w USA i Anglii
(skrobia)
BuOH wytwarzany z etylenu → lakiery, sztuczny jedwab (rayon), płyny hamulcowe, rozpuszczalniki
Aceton → uboczny produkt wytwarzanie fenolu oraz w krakingu propanu
Proces fermentacyjny – z trzciny cukrowej w Afryce Płd.
→rozdział rozpuszczalników
→wywar bakteryjny (wit.B) - pasza
Fermentacja: 2-2,5dnia (90tys litrów – fermentory)
2,3-butanodiol
WZÓR
Fermentacje pentoz – ksylozy – cel główny
Klebsiella oxytoca ATC 8724 (mieszaniny stereoizomerów)
Bacillus polymyxa (skrobia – L-2,3-butanodiol)
Instalacje pilotowe w Kanadzie (II WŚ)
→do produkcji MEK
→do produkcji 2-butenu i 1,3-butadionu
→utwardzacze termoplastyczne
Metoda petrochemiczna – taosza

Glicerol

-półprodukt w przemyśle spożywczym, kosmetycznym, farmaceutycznym i chemicznym
-estry – materiały wybuchowe
Podczas I WŚ – Niemcy – met.fermentacyjna
Drożdże + siarczek sodu (zmiana kierunku fermentacji – zamiast EtOH – glicerol)
Mutacje – glicerol bez obecności siarczku sodu



e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

Wykład 10. – 12.05.2009 r.

Rolnictwo

-koniec XIX w. – mechanizacja
-początek XX w. (lata 40-ste) – chemizacja
-koniec XX w. – biotechnologia (transgeniczne rośliny, zwierzęta, mikroorganizmy)
1983 – pierwsze rośliny transgeniczne
1986 – pierwsze testy polowe
1986-92 – 675 badan polowych na 31 gatunkach w 28 krajach
1993 – 2334 zezwolenia a testy polowe – komercyjne uprawy
1996 – 2,8mln ha
1997 – 12,5mln ha
1998 – 31,4mln ha
*ziemniaki odporne na stonkę i grzyby
*zboża odporne na herbicydy
*pomidory o przedłużonym okresie dojrzewania
*rzepak o zmienionym składzie kw.tłuszczowych

Organizm modelowy – Arabidopsis tmallana (120Mb – 20tys genów)
MONSANTO – 1994 – licencja na wprowadzenie na rynek USA rekombinowanego hormonu wzrostu
wołu
-rośliny transgeniczne (B.thuringensis)
UE – 3 odmiany modyfikowanej genetycznie kukurydzy
-odporna na szkodniki (Monsanto)
-odporna na herbicydy (Agrevo)
-„odporna

” (Novartis)

Pierwsza roślina transgeniczna wprowadzona na rynek – pomidor FLAVR-SAVR

Nitragina – wzbogacająca szczepionka bakteryjna produkowana od 1954r. (Rhizobium + podłoże:
jałowa gleba z pożywką)
Wzbogacanie gleby w azot: 10g ziarna – 30kg azotu; dla plonu 10g/ha – 37,5-45kg N
-najbardziej ekonomiczny nawóz azotowy – azot związany biologicznie
(rośliny motylkowe – dają glebie 150-300kg N/ha/rok)
Produkcja nitraginy:
-szczepy Rhizobium – efektywne = wirulentne + aktywne
-grupy fizjologiczne dla określonych roślin motylkowych
-kontrola mikrobiologiczna 1kg – 20mln komórek
Stosowanie:
-zaprawianie nasion (suche, zaciemnione miejsce – UV!, się w pochmurny dzieo)
-bezpośredni rozsiew na polu
-co 4-5 lat
W Polsce najlepsze efekty w uprawie: soji, lucerny, seradeli.
SCHEMAT

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

Azobakteryna (Azotobakter o aktywności wiązania N2 o kilkadziesiąt do kilkuset razy większej niż
szczep dziki)
-w naszych warunkach klimatycznych – 15-33% przyrost plonu (kapusta, pomidor, ziemniak, burak,
kukurydza)
-stosowana pod wszystkie rośliny „nie-motylkowe”
-dostarcza N oraz auksyn: giberelin, niektórych witamin i aminokwasów
-antybiotyk grzybobójczy (po zaprawieniu nasion – azobakteryna jest środkiem ochrony roślin)
-stosowanie: jak nitragina, ale co roku

SZCZEPINOKI MOBILIZUJĄCE
Fosfobakteryna – Bacillus megaterium (mineralizuje organiczne połączenie P)
W USA - Pseudomonas putida – siderofory

SZCZEPIONKI OPARTE NA ZJAWISKU MYKORIZY
Mykoriza:
-zewnętrzna – ektotroficzna
-wewnętrzna – endotroficzna
(dwie formy kraocowe – najlepiej poznane i najważniejsze)
Różnice: obszar kolonizacji, , struktura, miejsce systematyczne grzyba

Biotechnologia środowiska

-bt. na skalę środowiska - biokopalnictwo
-bt. dla środowiska – ochrona środowiska
Bioremediacja – wykorzystanie systemów biologicznych w celu redukcji zanieczyszczeo ziemi,
powietrza i wody
*biodegradacja
*biosorpcja

Ściana komórkowa: adsorpcja, wiązanie kowalencyjne, redukcja, precypitacja
Błona komórkowa (p.peryplazmatyczna): adsorpcja, redukcja, precypitacja
Wnętrze komórki: metalotioniny, fitochelatyny, wiązanie niespecyficzne, transformacja → redukcja
Metale ciężkie + mikroorganizmy:
→mobilizacja → bioługowanie
→immobilizacja → biosorpcja, akumulacja, precypitacja, redukcja

Biotechnologia dla środowiska

-bioremediacja:
Biodegradacja → detoksykacja → mineralizacja
→ poprawa warunków – rozsiewanie pożywki (plamy ropy przy brzegach Alaski – 1989 Exxon Valdez)
→ biologiczne oczyszczanie ścieków – osad czynny
→ biologiczne oczyszczanie powietrza i gazów przemysłowych (filtry z kompostem – usuwanie
substancji zapachowych, bioskrubery – zawiesiny komórek + filtry = biodegradacja przez

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

immobilizowane mikroorganizmy – równoczesne usuwanie tlenków S, N z gazów pieców kotłowych,
eliminacja styrenu przez grzyby immobilizowane na filtrach (przem.przetw.polistyrenu)
→oczyszczanie ziemi i gleby
In situ – stacje benzynowe (dodatek do gleby czynników odżywczych, wentylacja)
Ex situ – wywiezienie ziemi do kompostowni, bioreaktory
→odpady stałe
-kompostowanie
-„trawienie beztlenowe” (ma największą przyszłośd) → biogaz
-Zapobieganie – procesy przemysłowe „environmentaly friendly”

-stosowanie enzymów – przemysł skórzany, wybielanie tkanin, przem.drzewny, proszki do

prania
Fitaza w karmie (świnie i kurczaki) – zmniejszenie wydalania fosforanów (→do nawozu)
Biologiczna produkcja indygo (bakterie GMO)

AKUMULACJA METALI PRZEZ KOMÓRKI MIKROORGANIZMÓW
-1949 – usuwanie

239

Pu z wody przez osad czynny

-1975 – patent na usuwanie U z wody morskiej za pomocą „matrycy” z glonów
Poziom akumulacji metali przez mikroorganizmy
metal

organizm

g metalu/ g s.m.

Kultura mieszana

0,32

Pseudomonas maltophilia

0,18

Th. ferrooxidans

0,25

Zooglea sp.

0,25

Zooglea sp.

0,34

Zooglea sp.

0,13

Citrobacter

0,35

Rhizopus arrhizus

0,18

Saccharomyces

0,15

Pseudomonas aeruginosa

0,15

METODY POZYSKIWANIA PIERWIASTKÓW NA DRODZE BIOTECHNOLOGICZNEJ
→ wykorzystanie zdolności bakterii (autotroficznych) do produkcji kwasów (→rozpuszczanie
minerałów)
→ wykorzystanie zdolności do kumulacji określonych pierwiastków

METODY WYMYWANIA (ŁUGOWANIA)
*techniki laboratoryjne
→ perkolator
RYSUNEK
→hodowla wytrząsana
→zamknięta „kolba ekologiczna”
→wymywanie podłożem (stosowane o warunkach laboratoryjnych jak i polowych)
RYSUNEK
*wymywanie pierwiastków ze złóż w warunkach in situ
→przy nieopłacalnym tradycyjnym kopalnictwie

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

→przy niskim stężeniu pierwiastka w złożu
Stosowane: USA, Australia – U i Cu
→hałdy niskoprocentowych rud gromadzone przy kopalniach i hutach
Western Nuclear Corp. – Gas Hills (Wyoming)→ zagęszczanie U w rudzie z zawartości 0,05-0,1%U
(pozwala wymyd około 90%U)
RYSUNEK
→na duża skalę – dwie metody wymywania:
1)”hole to hole” (rysunek)
2)”hole to mine”(rysunek) Stanrock Uranium Co.→ 700kgU

/miesiąc

Efektywnośd tych metod zależy od:
-dostępności tanich źródeł wody (obieg zamknięty, woda z odwodnienie kopalo)
-składu rudy (obecnośd Fe

, Mn

)

-efektywności… (tajemnica firm)
REAKCJE BIOGEOCHEMICZNE O ZNACZENIU PRAKTYCZNYM
Geochemiczna aktywnośd mikroorganizmów
-wytwarzanie kwasów mineralnych H

, HNO

-wytwarzanie kwasów organicznych
-wytwarzanie H

i związków chelatujących

Biogeochemia Cu:
-Cu w minerałach nie jest bezpośrednio wykorzystywana przez drobnoustroje (Cu

, Cu

– utlenienie

→ mały zysk energetyczny, jest też toksyczna)
-wymywanie Cu jest związane z utlenianiem związków Fe i S (→ H

, FeSO

, Fe

(SO

)

minerał

skład

Co się utlenia?

Chalkozyn

-2

Chalkopiryt

CuFeS

-2

, Fe

Kowalin

CuS

-2

Kupryt

Boruit

FeSO

, S

-2

Thiobacillus thiooxidans; Th.ferroxidans
(piryt) 2FeS

+ 7O

+ H

O → 2FeSO

+ 2H

2FeS

+ 7 ½ O

+ H

O → Fe

(SO

)

+ H

Dla Cu w siarczkach:
Cu

S + 2Fe

(SO

)

→ 2CuSO

+ 4FeSO

+ S(→H

)

BIOGEOCHEMIA U
- w litosferze - 0,004% U (Afryka – Kongo, Kanada)
Uraninit UO

, karnotyt K

O∙2UO

∙U

∙3H

O, forbenit CuO∙2UO

∙P

∙8H

O, autunit, kiuryt

- najczęściej jako kation czterowartościowy w silnie zredukowanym środowisku
- formy zredukowane są łatwo utleniane biologicznie do jonu czterowartościowego – a te są łatwo
wymywane przez kwasy
- ( w warunkach przemysłowych: utleniane: chlorany, KMnO

)

- Dyson’s Mine (USA), Australia, Zimbabwe (Uretoli Mine)
- proces „bio” płyn perkolacyjny uzupełniany 5-10% pirytu lub FeSO

e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf

aktualizacja: 2009/06/10 17:46



SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

www.sny.one.pl

- „oksydaza uranowa”
- biologiczne metody wykorzystywania źródeł U

ZASTOSOWANIA BIOKUMULACJI METALI
- w Missouri – stawy z autotrofami do oczyszczania ścieków poprodukcyjnych z kopalni ołowiu
- propozycja: usuwanie As z wody: dwa reaktory 1300kg glonów w 24,7kg r-ru wody (też dla Cu)
- usuwanie metali ze ścieków przemysłowych
- pewne procesy otrzymywania materiałów jądrowych → ścieki z U i NO

- mieszana kultura bakterii

(Pseudomonas) – NO

→ N

+ biomasa → II reaktor (kumuluje U)

SCHEMAT

WSPOMAGANE MIKROBIOLOGICZNIE WYDOBYCIE ROPY NAFTOWEJ – MEOR
(microbiologically enhanced oil recovery)
- wykorzystanie odpowiednich mikroorganizmów w podziemnych złożach – „wytwórnia” związków
lub warunków in situ stymulujących wydobycie
Problemy:
- charakter formacji geologicznej: olbrzymia powierzchnia, zdolności buforowe, brak telnu, temp. i
ciśnienie, niemożnośd kontroli
- proces iniekcji kultury w złoże
- źródło C
SCHEMAT:
- metoda ta oparta jest na podawaniu głównych składników odżywczych do złoża
- biorąc pod uwagę czynniki: pH 4-8, temp.<75˚C, zasolenie<10˚h, wyselekcjonowano w USA szereg
złóż potencjalnie nadających się do tego procesu
Szczepy: Pseudomonas putida, Leuconostoc mesenteroides, Bacillus
Problem: kontrakcja złoża na bakterie z MEOR
Bakterie redukujące siarczany → korozja szybów, kwaśnienie złóż
Aspekty metaboliczne:
-biopolimery – (zatykanie, lepkośd)
- biomasa (zatykanie)
- kwasy organiczne (rozpuszczają CO

)

- biosurfaktanty (transport węglowodorów)
Badania terenowe:
-1954 – Arkansas – Clostridium acetobutylicum + melasa
-1956 – duoski patent
-Europa wschodnia – CSR-S, Polska, Węgry, Rumunia – kilkaset l inokulum + kilkanaście ton melasy,
2 miesiące fermentacji – krótkotrwały efekt (poprawa też w szybach sąsiednich)

