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