Wykład 1
1
Mikrobiologia przemysłowa
Wprowadzenie
1
Zagadnienia omawiane na wykładach
Mikrobiologia przemysłowa – zagadnienia podstawowe
Mikroorganizmy stosowane w procesach przemysłowych
•
bakterie
•
promieniowce
•
drożdże
•
grzyby strzępkowe
Pozyskiwanie szczepów mikroorganizmów o znaczeniu przemysłowym
•
pobranie próby ze środowiska naturalnego
•
hodowla wzbogacająca
•
testy selekcyjne
•
testy fermentacyjne
•
identyfikacja gatunkowa wybranego mikroorganizmu
2
Wykład 1
2
Zagadnienia omawiane na wykładach
Doskonalenie cech produkcyjnych mikroorganizmów o znaczeniu
przemysłowym
•
mutageneza indukowana in vivo
•
fuzja protoplastów
•
konstrukcja
rekombinantowych
szczepów
mikroorganizmów
o
znaczeniu
biotechnologicznym
Przechowywanie szczepów mikroorganizmów i kultury starterowe
3
Zagadnienia omawiane na wykładach
Wzrost mikroorganizmów hodowlanych, ich wymagania odżywcze oraz dobór
optymalnych parametrów wzrostu
Typy hodowli mikroorganizmów przemysłowych
•
hodowla stacjonarna (okresowa)
•
hodowla zasilana (dolewowa)
•
hodowla ciągła
•
hodowla ciągła z retencją komórek
•
hodowla z zastosowaniem dializy
Hodowla mikroorganizmów w bioreaktorze
Sterowanie metabolizmem drobnoustrojów
•
Procesy wydzielania i oczyszczania produktów pochodzenia mikrobiologicznego
4
Wykład 1
3
Zagadnienia omawiane na wykładach
Biokatalizatory unieruchomione
•
typy biokatalizatorów unieruchomionych
•
metody unieruchamiania enzymów
•
matryce do unieruchamiania enzymów
•
odczynniki wiążące stosowane w metodach unieruchamiania enzymów
•
charakterystyka technologiczna enzymów unieruchomionych
5
Zagadnienia omawiane na wykładach
Zastosowanie mikroorganizmów w przemyśle
w przemyśle spożywczym
w ochronie środowiska
w przemyśle farmaceutycznym
w przemyśle chemicznym
diagnostyka mikrobiologiczna w ujęciu mikrobiologii przemysłowej
6
Wykład 1
4
Literatura
Spis literatury wywieszony jest w gablocie Katedry Mikrobiologii
.
Podstawy biotechnologii. red. Nauk. C. Ratledge, B. Kristiansen. 2011. Wyd. PWN
Z. Libudzisz, K. Kowal 2007. Mikrobiologia techniczna. T1. Wyd. PWN
Z. Libudzisz, K. Kowal, Żakowska Z. 2008. Mikrobiologia techniczna. T2. Wyd. PWN
A. Chmiel. 1998. Biotechnologia. Podstawy mikrobiologiczne i biochemiczne, Wyd. PWN
S. Ledakowicz. 2012. Inżynieria biochemiczna. Wyd. WNT
P. Singleton. 2000. Bakterie w biologii, biotechnologii i medycynie. Wyd. PWN
H. Cieśliński, P. Filipkowski, J. Kur, A. Lass, M. Wanarska. 2007. Podstawy mikrobiologii
przemysłowej. Ćwiczenia laboratoryjne, Wyd. Politechniki Gdańskiej
7
Literatura
A. Chmiel, S. Grudziński. 1998. Biotechnologia i chemia antybiotyków. Wyd.PWN
E. Klimiuk, M. Łebkowska. 2003. Biotechnologia w ochronie środowiska. Wyd. PWN
Biotechnologia roślin. red. S. Malepszy. 2001. Wyd.PWN
W. Kunicki – Goldfinger. 1998. Życie bakterii. Wyd. PWN
J. Nicklin, K. Graeme – Cook, R. Killington. 2004. Krótkie wykłady – mikrobiologia. Wyd. PWN
A. A. Salyers, D. D. Whitt. 2003. Mikrobiologia. Różnorodność, chorobotwórczość i środowisko.
Wyd. PWN
8
Wykład 1
5
Sposób zaliczenia zajęć
☺
Egzamin – materiał z wykładów i ćwiczeń
9
Mikrobiologia Przemysłowa
Wykład 1. Geneza, teraźniejszość i perspektywy rozwoju.
Zagadnienia podstawowe
„Nie ma nauk stosowanych …
są tylko zastosowania nauki …”
Ludwik Pasteur
10
Wykład 1
6
nauka zajmująca się zagadnieniami związanymi z mikroorganizmami
z gr. mikros – mały, bios – życie, logos - nauka
Prokariota Eukariota Wirusy*
-
bakterie
-
grzyby
(z wyłączeniem
grzybów kapeluszowa tych)
-
archeony
-
glony
jednokomórkowe i kolonijne
(z wyłączeniem glonów plechowych)
-
pierwotniaki
Mikrobiologia
11
Mikrobiologia
przemysłowa
Mikrobiologia
weterynaryjna
Mikrobiologia
ogólna
Mikrobiologia
rolnicza
Mikrobiologia
lekarska
Mikrobiologia
sanitarna
MIKROBIOLOGIA
12
Wykład 1
7
zajmuje się charakterystyką ogólnych pojęć z dziedziny
mikrobiologii
budową i kształtem mikroorganizmów
czynnościami życiowymi
środowiskiem życia drobnoustrojów
wpływem drobnoustrojów na środowisko i
inne organizmy
Escherichia coli
Mikrobiologia ogólna
13
Mikrobiologia rolnicza
zajmuje
się
mikroorganizmami
chorobotwórczymi dla roślin
drobnoustrojami mającymi znaczenie
w procesach krążenia pierwiastków w
przyrodzie
bada
procesy
mikrobiologiczne
zachodzące w glebie
Agrobacterium tumefaciens
14
Wykład 1
8
Mikrobiologia lekarska
diagnostyką
profilaktyką
walką z drobnoustrojami chorobotwórczymi
zjawiskami zachodzącymi w ustroju po
infekcji
Clostridium tetani
zajmuje się mikroorganizmami chorobotwórczymi dla człowieka
15
Mikrobiologia sanitarna
bada zagadnienia czystości wody, powietrza, pomieszczeń
produkcyjnych, urządzeń i opakowań
zajmuje się problemami oczyszczania ścieków metodą biologiczną
zajmuje się higieną osobistą pracowników przemysłu spożywczego
oraz sposobami zapobiegania zatruciom pokarmowym
16
Wykład 1
9
Mikrobiologia weterynaryjna
diagnostyką
profilaktyką
walką z drobnoustrojami chorobotwórczymi
zjawiskami zachodzącymi w ustroju po infekcji
kontrolą sanitarną produktów pochodzenia
zwierzęcego
Bacillus anthracis
zajmuje się mikroorganizmami chorobotwórczymi dla zwierząt
17
Mikrobiologia przemysłowa (biotechnologia mikrobiologiczna)
– zajmuje się
zastosowaniem wiedzy mikrobiologicznej i inżynieryjnej w procesach przemysłowych
z zastosowaniem mikroorganizmów (takich jak bakterie, grzyby, glony, pierwotniaki i
wirusy) lub komórek roślin i zwierząt do produkcji użytecznych dóbr konsumpcyjnych
lub półproduktów procesowych.
Definicja Amerykańskiego Towarzystwa Mikrobiologii Przemysłowej, SIM
Mikrobiologia przemysłowa
- zajmuje się wykorzystaniem określonych gatunków
mikroorganizmów w różnorakich branżach przemysłu z jednoczesnym
monitorowaniem mikroflory szkodliwej.
Microbial Biotechnology: Fundamentals of Applied Microbiology by Alexander
N. Glazer, Hiroshi Nikaido.
Mikrobiologia przemysłowa
18
Wykład 1
10
Przemysł
spożywczy
Przemysłowa
diagnostyka
mikrobiologiczna
Przemysł
farmaceutyczny
Ochrona
środowiska
Produkcja
preparatów
enzymatycznych
Przemysł
chemiczny
Rolnictwo
MIKROBIOLOGIA
PRZEMYSŁOWA
19
Mikrobiologia przemysłowa
w przemyśle spożywczym
Produkcja żywności w oparciu o prowadzone przez mikroorganizmy
procesy fermentacji beztlenowej i/lub tlenowej:
produkcja wina, piwa i spirytusu spożywczego
produkcja octu oraz kwasu cytrynowego i mlekowego do celów spożywczych
produkcja serów i fermentowanych napojów mlecznych np. jogurty, kefiry
produkcja chleba i ciast w oparciu o drożdże piekarnicze
produkcja kiszonek np. kiszona kapusta lub ogórki
produkcja kakao
produkcja herbaty
Utrwalanie żywności
oksydaza glukozowa - przeciwutleniacz
niazyna - antybiotyk
20
Wykład 1
11
Mikrobiologia przemysłowa
w rolnictwie
Ochrona roślin
Biopestycydy
Bioinsekcydy
Antybiotyki
Lecznictwo zwierząt
Antybiotyki
Szczepionki
Produkcja pasz
Preparaty białkowe, witaminowe, aminokwasowe, antybiotyczne, stymulatory
wzrostu, kiszonki roślinne
21
Mikrobiologia przemysłowa
w przemyśle farmaceutycznym
Wyselekcjonowane szczepy mikroorganizmów stosowane są do produkcji:
antybiotyków
leków steroidowych
witamin
aminokwasów
enzymów i inhibitorów enzymów
alkaloidów
dekstranu
Wyselekcjonowane kultury bakterii i drożdży stosowane są do produkcji
prebiotyków
– preparatów farmaceutycznych przywracających naturalną
mikroflorę układu pokarmowego
Hodowle komórkowe i tkankowe wykorzystywane są przy produkcji:
szczepionek np. szczepionki przeciwko HBV (wirusowe zapalenie wątroby typu B), polio
(choroba Heinego-Medina)
przeciwciał monoklonalnych stosowanych w diagnostyce medycznej i badaniach naukowych
Rekombinantowe szczepy mikroorganizmów stosowane są przy produkcji:
szczepionek np. szczepionka przeciwko HBV
insuliny
hormonu wzrostu
antygenów
22
Wykład 1
12
Mikrobiologia przemysłowa
w przemyśle chemicznym
Produkcja:
alkoholi: etanol, butanol, izopropanol, glikol etylenowy, glikol propylenowy, glicerol
aminokwasów: L-lizyny, L-cysteiny, kwasu L-glutaminowego i kwasu L-
asparaginowego
rozpuszczalników: acetonu
kwasów: glukonowego, itakonowego, octowego,
paliw: bioetanol, metan, potencjalnie wodór
Biotechnologiczna obróbka surowców naturalnych:
roszenie roślin włókienniczych,
hydroliza skrobii,
odwłasianie i wytrawianie skór,
fermentacja tytoniu
23
Mikrobiologia przemysłowa
w ochronie środowiska
Pozyskiwanie cennych pierwiastków z użyciem technologii „przyjaznych” dla
środowiska naturalnego
mikrobiologiczne ługowanie metali, np. uranu z zastosowaniem bakterii Thiobacillus
ferrooxidans i Thiobacillus thiooxidans
mikrobiologiczne zatężanie metali z wód kopalnianych lub wody morskiej np. złota, miedzi,
srebra, plutonu, uranu z zastosowaniem biosorbentów z żywymi kulturami mikroorganizmów
Oczyszczanie ścieków, gazów i bioremediacja gleby
bioremediacja gleb skażonych produktami ropopochodnymi z zastosowaniem wybranych
szczepów bakterii glebowych np. z rodzaju Acinetobacter lub Pseudomonas
Stosowanie „stopnia biologicznego” w oczyszczalniach ścieków powiązanego z produkcją
biogazu
Utylizacja odpadów i osadów ściekowych
Uzdatnianie wody
24
Wykład 1
13
Diagnostyka mikrobiologiczna w ujęciu
mikrobiologii przemysłowej
Produkcja odczynników, testów diagnostycznych i aparatury do diagnostyki
mikrobiologicznej w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym, kosmetycznym i
weterynarii
Opracowanie zasad kontroli czystości mikrobiologicznej dla poszczególnych
procesów technologicznych np. w przemyśle spożywczym, zapewniających ochronę
produktów przed psuciem i/lub zakażeniem mikroorganizmami szkodliwymi i/lub
patogennymi
25
Produkcja preparatów enzymatycznych
Izolacja enzymu z hodowli jego naturalnego producenta
Produkcja enzymu z wykorzystaniem mikroorganizmu rekombinantowego
26
Wykład 1
14
27
Branża przemysłu
Rodzaj enzymu
Detergenty
Proteaza, amylaza, lipaza, celulaza, mannanaza
Skrobia i biopaliwa
amylazay, pullulanaza, izomeraza glukozowa, glikozylotransferaza cyklodekstryny,
ksylanaza, proteaza
Przemysł spożywczy
Proteaza, lipaza, β-galaktozydaza, metyloesteraza pektynianowa, pektynaza,
transglutaminaza
Piekarnictwo
Amylaza, ksylanaza, lipaza, fosfolipaza, oksydaza glukozowa, lipoksygenaza,
proteaza, transglutaminaza
Przemysł paszowy
Fitazy, ksylanaza, β-glukanaza
Produkcja napojów
Pektynaza, amylaza, β-glukanaza, dekarboksylaza octanomleczanu, lakkaza
Przemysł tekstylny
Celulaza, amylaza, liaza pektynianowa, katalaza, lakkaza, peroksydaza
Przemysł celulozowo-papierniczy Lipaza, proteaza, amylaza, ksylanaza, celulaza
Przemysł tłuszczowy
Lipaza, fosfolipaza
Synteza organiczna
Lipaza, acylaza, nitrylaza
Przemysł garbarski
Proteaza, lipaza
Higiena osobista
Amyloglukozydaza, oksydaza glukozowa, peroksydaza
Wykorzystanie preparatów enzymatycznych
Biotechnologia 2006, 3, 139-140
Proces biotechnologiczny
28
Wykład 1
15
proces produkcji dóbr konsumpcyjnych oparty o wykorzystanie
właściwości produkcyjnych wybranych gatunków mikroorganizmów
Proces biotechnologiczny
29
Fazy opracowania procesu biotechnologicznego
Faza wstępna
analiza zapotrzebowania społecznego na produkt i możliwości
biotechnologicznego ich pozyskania
Faza badawcza
opracowanie technologii
Faza wdrożeniowa
projektowanie, budowa linii technologicznej i uruchomienie produkcji
30
Wykład 1
16
Pomysł – co chcemy i jesteśmy w stanie produkować
Analiza marketingowa – ocena opłacalności produkcji
Poszukiwanie organizmu producenckiego
Dobór warunków hodowli i doskonalenie szczepu
Opracowanie biotechnologii
Analiza ekonomiczna produkcji
„Ochrona Patentowa” oraz „Wdrożenie Produkcyjne”
Projektowanie procesu biotechnologicznego
obejmuje:
31
Pomysł i jego ocena
produkcja etanolu z celulozy
pochodzącej z odpadów
przemysłu drzewnego
32
Wykład 1
17
Co tak naprawdę chcemy zrobić?
ok.10% drewna przerabianego w tartakach
dodatek do paliwa
33
Analiza marketingowa
W tym celu należy:
Ocenić obecny stan wiedzy w literaturze
przedmiotu, szczególnie istniejące patenty
Ustalić
czy
istnieją
przesłanki
pozaekonomiczne do produkcji bioetanolu w
oparciu o wspomniane źródło np. społeczne
lub/i związane z ochroną środowiska
Ustalić wielkość zapotrzebowania na bioetanol na rynku krajowym i/lub
zagranicznym np. jako dodatek do paliw
Ocenić koszt produkcji bioetanolu na tej drodze w odniesieniu do kosztów
produkcji dla istniejących rozwiązań ekonomicznych
34
Wykład 1
18
Poszukiwanie organizmu producenckiego
Znalezienie mikroorganizmu przeprowadzającego nasz proces
biotechnologiczny
znalezienie mikroorganizmu prowadzącego biokonwersję celulozy
do etanolu
35
Mikroorganizmu tego możemy poszukiwać na drodze:
a. Screeningu – np. poprzez izolację szczepów grzybów lub bakterii ze żwaczy
zwierząt roślinożernych, producentów zespołów enzymów celulolitycznych
zwanych „celulosomami”
b. Przeszukania dostępnych kolekcji mikroorganizmów, pod kątem mikroorganizmów
celulolitycznych
c. Wykorzystanie mikroorganizmów z punktów a) i b) jako źródeł genów enzymów
celulolitycznych wykorzystanych przy konstrukcji rekombinowanego
szczepu mikroorganizmu celulolitycznego – drogę tę wybieramy w przypadku,
gdy mikroorganizmy z grupy a) i b) nie spełniają w stopniu wystarczającym
wymagań tzw. „idealnego mikroorganizmu producenckiego”
Poszukiwanie organizmu producenckiego
36
Wykład 1
19
Screening – w celu pozyskania czystych kultur mikroorganizmów celulolitycznych
z wybranego źródła stosujemy klasyczne techniki mikrobiologiczne.
Czyste kultury mikroorganizmów celulolitycznych uzyskanych podczas badań
przesiewowych muszą zostać zidentyfikowane, co najmniej na poziomie
rodzaju (przynależność taksonomiczna).
Poszukiwanie organizmu producenckiego
37
Wymagania, które spełnia „idealny mikroorganizm producencki”
Mikroorganizm ten musi produkować interesujący nas produkt tak szybko,
jak to możliwe i jak najprościej (tania pożywka, unikanie kosztownych
rozwiązań technologicznych)
Musi być łatwo dostępny w postaci czystej kultury, a co za tym idzie łatwy w
przechowywaniu przez długie okresy czasu
Genetycznie stabilny i jednocześnie łatwo ulegający manipulacjom
genetycznym
Łatwy w hodowli na dużą skalę na łatwo dostępnych podłożach
przemysłowych
Nie może być organizmem patogennym !!!
Poszukiwanie organizmu producenckiego
38
Wykład 1
20
Dobór warunków hodowli i doskonalenie
szczepu
Dostosowanie optymalnych warunków do hodowli mikroorganizmu producenckiego,
czyli odpowiedniego doboru podłoży, temperatury, napowietrzenia itp.
W celu polepszenia cech mikroorganizmu i zwiększenia jego potencjału
produkcyjnego przeprowadza się mutagenizację, w wyniku której uzyskuje się
mikroorganizm produkujący określony metabolit w ilości przewyższającej potrzeby
własne drobnoustroju lub syntetyzujące produkty, których mikroorganizmy
macierzyste nie produkowały.
39
Wymagania te spełnia np. Saccharomyces cerevisiae – jednakże nie znamy w
naturze szczepów drożdży tego gatunku o właściwościach celulolitycznych, ale
mikroorganizm ten może być wykorzystany jako gospodarz dla genów enzymów
celulolitycznych z innych źródeł
Szczep „dziki” lub zakupiony z kolekcji może zostać ulepszony na drodze
manipulacji genetycznych, dzięki którym np.:
jego metabolizm zostanie
ukierunkowany na produkcję etanolu z celulozy
„Idealny mikroorganizm producencki”
40
Wykład 1
21
Opracowanie technologii
Po wyborze mikroorganizmu producenckiego lub konstrukcji mikroorganizmu
rekombinowanego, należy przeprowadzić żmudny proces optymalizacji i zwiększania
skali procesu technologicznego – często okazuje się, że optymalne warunki
prowadzenia procesu produkcyjnego na skalę laboratoryjną nie mają prostego
przełożenia na skalę przemysłową. W celu rozwiązania zaistniałych problemów, należy
stopniowo optymalizować proces przechodząc przez produkcję na skalę ćwierć i
półtechniczną.
Istotne jest opisanie kinetyki bioprocesu.
41
Opracowanie technologii
Badania te pozwalają na opracowanie procesu technologicznego zawierającego
drogę prowadzącą od pojedynczej komórki szczepu producenckiego do
biomasy dochodzącej do rzędu ton.
W mikrobiologii przemysłowej wskazane jest okresowe przeprowadzanie
powyższego szeregu czynności. Wynika to z faktu nieuniknionych samoistnych
mutacji w komórkach potomnych szczepu producenckiego, powstałych podczas
wzrostu biomasy w bioreaktorze, co prowadzi do obniżenia wydajności procesu
produkcji np. etanolu
42
Wykład 1
22
Analiza ekonomiczna produkcji
Po zakończeniu etapu opracowania technologii
należy dokonać oszacowania ekonomicznych
kosztów prowadzenia procesu według
zaproponowanej technologii, które nie mogą być
większe niż wyliczone „maksymalne koszty
opłacalności ekonomicznej” procesu podczas
początkowego
oszacowania
opłacalności
projektu.
43
Ochrona własności intelektualnej
Prawo własności intelektualnej pozwala na zapewnienie sobie wyłączności w
zakresie niematerialnych składników przedsiębiorstwa. Obejmuje m.in.
Patenty
Prawa ochronne obejmujące wzory przemysłowe i znaki towarowe
(własność przemysłowa)
Prawa autorskie i prawa pokrewne
Prawo własności może być o zasięgu krajowym lub
międzynarodowym.
Warto skalkulować wydatek związany zabezpieczeniem
naszej własności intelektualnej nie tylko pod kątem
ofensywnym, ale również defensywnym
44
Wykład 1
23
Mikrobiologia przemysłowa
zastosowanie nauki do rozwiązywania problemów ważnych z
punktu widzenia społecznego
walka z chorobami
walka z głodem
walka o zachowanie naturalnego środowiska życia człowieka
dążenie do dobrobytu
45