INŻYNIERIA
BIOPROCESOWA

PODSTAWOWE DEFINICJE

INŻYNIERIA

Inżynieria

– działalność polegająca na:



projektowaniu,



konstrukcji,



modyfikacji



i utrzymaniu efektywnych kosztowo rozwiązań dla
praktycznych problemów,

z wykorzystaniem wiedzy naukowej oraz technicznej.
Działalność ta wymaga rozwiązywania problemów
różnej natury oraz skali. Bardziej ogólnie, inżynieria
zajmuje się też rozwojem technologii.

Technologia

– metoda przygotowania i prowadzenia

procesu wytworzenia lub przetwarzania jakiegoś
dobra.

Bioproces

Bioproces-

proces biotechnologiczny, w

którym używa się:

organizmów,
fragmentów komórek (np.
chloroplastów, kwasów
dezoksyrybonukleinowych i
rybonukleinowych itp.)
oraz ich metabolitów (szczególnie
enzymów, przeciwciał)

Cel procesów
biotechnologicznych



Celem procesów biotechnologicznych jest:

nagromadzenie biomasy mikroorganizmów

(produkcja drożdży piekarniczych, paszowych,

wytworzenie dużej ilości osadów organicznych do

oczyszczania ścieków)
otrzymanie odpowiedniej ilości metabolitu

wytwarzanego przez namnażanie drobnoustrojów,

komórek czy tkanek (produkcja kwasów

organicznych, enzymów, antybiotyków, alkoholi)
przemiana składników pożywki - substratu,

utlenianie, redukcja, destrukcja, eliminacja

składników szkodliwych biologicznie w wyniku

biokonwersii i kometabolizmu

Cel procesów
biotechnologicznych

Biomasa

mieszanina substancji pochodzenia

biologicznego np. hodowla mikroorganizmów lub
komórek i produkty jej metabolizmu.

Biokonwersja

- przemiany chemiczne jednych związków

organicznych w drugie, zachodzące w obecności
biokatalizatorów

Kometabolizm

- Niezależne współdziałanie dwóch

organizmów, polegające na tym, że jeden z nich
przypadkowo modyfikuje daną cząsteczkę nie
odnosząc przy tym żadnych korzyści.

Rodzaje

bioprocesów

Rodzaje bioprocesów



Biosynteza



Biotransformacja



Biohydroliza



Bioługowanie



Biodegradacja



Fermentacja

Rodzaje bioprocesów

Biosynteza



Biosynteza

- wieloetapowy proces,

tworzenia się złożonych związków
organicznych ze związków prostych.



Biosynteza

zachodzi w żywych

organizmach pod wpływem enzymów i
podlega bardzo ścisłej regulacji np.
biosynteza białek, lipidów.



Biosynteza

- ogół procesów

zachodzących
w organizmach żywych, w wyniku
których powstają związki organiczne.



Biosynteza

jest częścią

anabolizmu

.

Anabolizm



Anabolizm – grupa reakcji chemicznych, w wyniku których

z prostych substratów powstają związki złożone,

gromadzące energię. Jest to ta część metabolizmu, która

związana jest ze wzrostem tkanek organizmu.
Często procesy metaboliczne dzieli się na:



anaboliczne (wzrostowe)



i kataboliczne (związane z rozkładem i zanikaniem materii

organicznej).

Do reakcji anabolicznych zalicza się biosyntezę:
białek, tłuszczów i węglowodanów (przykładem może
być proces asymilacji CO2 w przebiegu fotosyntezy lub
chemosyntezy).

Anabolizm



Anabolizm to reakcje syntez związków bardziej złożonych z
prostszych, wymagające dostarczenia energii. Energia ta
umożliwia podniesienie poziomu energetycznego związków
w czasie procesu chemicznego. Powstający w ten sposób
produkt reakcji zawiera większą ilość energii, niż substraty.
Dostarczona energia zostaje zmagazynowana w postaci
wiązań chemicznych.



Procesy anaboliczne prowadzą do tworzenia i wzrostu
organów i tkanek, są więc związane z ogólnym wzrostem
masy i rozmiarów ciała.

Rodzaje bioprocesów

B

iotransformacja

Biotransformacja

- proces biotechnologiczny, w którym

czynnik biologiczny wykorzystywany jest do

przeprowadzenia ściśle określonej przemiany chemicznej dzięki

swej

specyficzności reakcyjnej, substratowej lub

stereochemicznej

(np. otrzymywanie kwasu octowego, konwersja glukozy do

fruktozy)



Biotransformacje

- katalizowane przez enzymy reakcje

chemiczne, w których następuje przekształcenie określonego

(nych) fragmentu (ów) substratu.



Biotransformacje

u mikroorganizmów można porównać do

"biokatalizatorów", które przeprowadzają przemiany

prowadzące do otrzymania pożądanego produktu. Są to

procesy wykorzystujące najczęściej tylko jeden enzym i nie

dostarczają komórce energii ani potrzebnych związków.

Rodzaje bioprocesów

Biotransformacja



Biotransformacje

zachodzą też w formach

przetrwalnikowych mikroorganizmów dzięki braku
zaangażowania jakichkolwiek

szlaków

metabolicznych

w proces.

Jednym z ważniejszych problemów

przy

stosowaniu biotransformacji jest występujące
ograniczenie przepuszczalności substratów i
produktów przez błony cytoplazmatyczne lub też
wydzielenie odpowiedniego enzymu z komórki.
Dlatego też opracowane specyficzne sposoby
postępowania zależą od charakteru mikroorganizmu.

Rodzaje bioprocesów

Biotransformacja

Szlak

metaboliczny



Szlak metaboliczny

– szereg następujących po sobie

reakcji biochemicznych, w których produkt jednej reakcji jest

substratem kolejnej. Reakcje szlaków są zwykle katalizowane

przez enzymy, oraz podlegają ścisłej kontroli. W skali całego

organizmu reakcje metaboliczne regulowane są przez

hormony.

Rodzaje bioprocesów

Biohydroliza



Biohydroliza

- procesy u podstaw których leży

reakcja podwójnej wymiany zachodząca między
wodą a substancją w niej rozpuszczoną (np.
ścinanie mleka, hydroliza laktozy, skrobi,
wytwarzanie soków owocowych)



W chemii organicznej przykładowe reakcje hydrolizy
to hydroliza estrów (dla której reakcją odwrotną
jest estryfikacja), inwersja cukrów, hydrolityczny
rozpad białek lub zmydlanie tłuszczów.

Rodzaje bioprocesów

Bioługowanie



Bioługowanie

( Biozageszczanie) - technika

mikrobiologiczna polegająca na przeprowadzeniu, przy

użyciu bakterii, nierozpuszczalnych soli (np. siarczków) w

sole rozpuszczalne (np. siarczany).
Pozwala na uzyskanie metali z rud ubogich oraz odpadów

przemysłowych.
Otrzymane tą metodą metale mogą być izolowane z

otrzymanych roztworów metodami chemicznymi za pomocą

wymieniaczy jonowych bądź przez ekstrakcję.

Rodzaje bioprocesów

Biodegradacja



Biodegradacja

- biochemiczny rozkład związków

organicznych przez organizmy żywe (bakterie,
grzyby, glony, robaki, pierwotniaki) na prostsze
składniki chemiczne (np. oczyszczanie ścieków,
produkcja biogazów z odpadów i ścieków).

Rodzaje bioprocesów

Fermentacja



Fermentacja

– procesy enzymatyczne stopniowego

rozkładu związków organicznych przebiegające bez udziału
tlenu.
Zachodzi powszechnie w mikroorganizmach, gdzie
fermentują rozmaite związki np. sacharydy, aminokwasy,
związki heterocykliczne.
Końcowymi produktami są różne



kwasy np.: mlekowy, octowy, masłowy



lub alkohole np.: etylowy, butylowy, glicerol.

Zalety procesów
biotechnologicznych

Zalety procesów
biotechnologicznych

- są tanie,
- łatwe do przeprowadzenia,
- nie wymagają skomplikowanej aparatury,
- są oparte na znanych procesach biologicznych,
- materiał do nich jest łatwo dostępny (bakterie,
drożdże, pierwotniaki),
- nie wymagają dużych nakładów energii,
- są nieszkodliwe dla środowiska.

FERMENTACJA

Fermentacja

Fermentacja – proces beztlenowych przemian

enzymatycznych związków chemicznych (przede

wszystkim zawierających

grupę hydroksylową

), których

efektem jest uzyskanie energii, najczęściej pod postacią

ATP

.

Proces umożliwia uzyskanie energii użytecznej

metabolicznie – ATP – w warunkach beztlenowych

organizmom stale lub okresowo żyjącym w warunkach

beztlenowych.
Fermentacje przeprowadzane są przez liczne

drobnoustroje lub wytworzone przez nie

enzymy

.

Niektóre procesy produkcji związków organicznych z

wykorzystaniem mikroorganizmów w biotechnologii

określane są nazwą fermentacja pomimo zachodzenia w

warunkach tlenowych. Przykładem jest fermentacja

octowa przebiegająca z dostępem tlenu.

Fermentacja

Grupa hydroksylowa

-

grupa hydroksylowa, grupa

wodorotlenowa (-OH) – jednowartościowa grupa funkcyjna.

ATP

-

Adenozyno-5'-trifosforan (ATP) – organiczny związek

chemiczny, zbudowany z grupy trójfosforanowej przyłączonej

w pozycji 5' cząsteczki andenozy, tworząc bezwodnik kwasu

fosforowego.

Odgrywa on ważną rolę w biologii komórki, jako

wielofunkcyjny koenzym i molekularna jednostka w

wewnątrzkomórkowym transporcie energii. Stanowi nośnik

energii chemicznej używanej

w metabolizmie komórki. Powstaje jako magazyn energii w

procesach fotosyntezy i oddychania komórkowego.

Zużywają go liczne enzymy, a zgromadzona w nim energia

służy do przeprowadzania różnorodnych procesów, jak

biosyntezy, ruchu i podziału komórki

Fermentacja



Enzymy

wielkocząsteczkowe, w większości białkowe

katalizatory przyspieszające specyficzne reakcje chemiczne
poprzez obniżenie ich energii aktywacji.
Niemal wszystkie reakcje chemiczne związane z
funkcjonowaniem organizmów żywych (a także wirusów)
wymagają współudziału enzymów, by osiągnąć
wystarczającą wydajność.
Enzymy są wysoce specyficzne wobec substratów i wobec
tego dany enzym katalizuje zaledwie kilka reakcji spośród
wielu możliwych dla danych substratów. W ten sposób
enzymy determinują procesy metaboliczne i biochemiczne
związane z funkcjonowaniem organizmów żywych.

Fermentacja alkoholowa

Fermentacja alkoholowa – proces rozkładu

węglowodanów pod wpływem enzymów wytwarzanych

przez drożdże

z wytworzeniem alkoholu etylowego i dwutlenku

węgla:

C

6

H

12

O

6

→ 2C

2

H

5

OH + 2CO

2

W wyniku tego procesu powstaje również szereg

produktów ubocznych, między innymi: gliceryna, kwas

bursztynowy

i kwas octowy.
Produktami ubocznymi fermentacji są również wyższe

alkohole i estry, które mają decydujący wpływ na

bukiet smakowo-zapachowy produktu.

Fermentacja

alkoholowa

Fermentacja alkoholowa jako
proces biochemiczny pozwala
organizmom działającym w
warunkach beztlenowych na
regenerację NAD zużytego w
procesie glikozy. Produkt
ostatniego etapu wspomnianej
glikolizy – pirogronian jest w
dwóch etapach redukowany do
etanolu (alkoholu etylowego) przy
jednoczesnym utlenieniu NADH
powstałego w procesie glikolizy
do NAD i wydzieleniu dwutlenku
węgla.

Fermentacja

alkoholowa

W pierwszym etapie pirogronian
jest przekształcany w etanal
(aldehyd octowy) oraz
dwutlenek węgla za pomocą
dekarboksylazy pirogonianowej.
W drugim etapie etanal jest
redukowany do etanolu
(z jednoczesnym utlenieniem
NADH do NAD) przez
dehydrogenazę alkoholową
(ADH).

Fermentacja alkoholowa

NAD -

Dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy

(NADH - forma zredukowana, NAD+ - forma utleniona) –

organiczny związek chemiczny pełniący istotną rolę w

procesach oddychania komórkowego.

Dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy nie występuje w

zasadzie w organizmach żywych w stanie wolnym, lecz

występuje w postaci jonów (NAD+ i NADP+) oraz w formie

zredukowanej (NADH i NADPH).

NAD+

– forma utleniona dinukleotydu

NADP+

– kation fosforanowy dinukleotydu

NADH

– forma zredukowana NAD+

NADPH

– forma zredukowana NADP+

Fermentacja alkoholowa

Glikoza - ciąg reakcji biochemicznych, podczas których jedna

cząsteczka glukozy zostaje przekształcona w dwie cząsteczki

pirogronianu.

Dehydrogenaza

alkoholowa – enzym z

grupy oksydoreduktaz

przyspieszający

przekształcanie się

aldehydu octowego w

etanol lub odwrotnie.

Pirogronia
n

Pirogronian - Kwas

pirogronowy (kwas 2-

oksopropanowy),

CH

3

-CO-COOH

– organiczny związek

chemiczny.

Fermentacja alkoholowa

Drożdże górnej fermentacji

Drożdże górnej fermentacji:

np. Saccharomyces

cerevisiae

.

Szczepy drożdży z gatunku

Saccharomyces

cerevisiae

wykorzystywane w piwowarstwie do

warzenia piw pszenicznych, angielskich,

niektórych belgijskich i.in.
Saccharomyces

cerevisiae

drożdże

fermentacji górnej fermentują w

temperaturach wyższych 15-25 °C, a w

trakcie fazy burzliwej fermentacji

zbierają się na powierzchni brzeczki.
Z czasem również drożdże górnej

fermentacji osadzają się na dnie,

jednakże w browarach posiadających

kadzie otwarte zbierane są one z

powierzchni zanim opadną na dno.

Saccharomyces
cerevisiae

Drożdże dolnej fermentacji

(Saccharomyces

carlsbergensis

,

Saccharomyces

pastorianus

)

- szczep

drożdży piwowarskich stosowanych w celu

przeprowadzenia dolnej fermentacji

brzeczki piwnej i otrzymania piw typu lager.
Charakterystyczną cechą tych drożdży jest

ich zdolność do fermentacji w

temperaturze 5-10 °C i osadzanie się pod

koniec procesu na dnie fermentora.

Fermentacja alkoholowa

Drożdże dolnej fermentacji

Saccharomyces

carlsbergensis

Nazwa drożdży dolnej fermentacji jest hołdem złożonym Emilowi
Christianowi Hansenowi - synowi założyciela browaru Carlsberg w
Kopenhadze.
W 1883 r. rozwijając badania Ludwika Pasteura’ udało mu się w
laboratorium browaru wyhodować czystą kulturę drożdży
stanowiących podstawę piw dolnej fermentacji.

Fermentacja alkoholowa

Drożdże
(Saccharomyces)

Drożdże (Saccharomyces) - to rodzaj
grzybów jednokomórkowych z klasy
workowców, rozmnażające się głównie
przez pączkowanie (tworząc kolonie),
rzadziej przez zarodniki (drożdże
zarodnikujące).
Są organizmami saprofitycznymi - żyją
na podłożach zawierających cukry
proste, przeprowadzają fermentację
alkoholową, przeważnie w warunkach
beztlenowych.
Dobrze poznano ok. 30 gatunków
drożdży,
z dużą liczbą odmian.