7. Scharakteryzuj materiały pomocnicze stosowane w biotechnologii.

• Detergenty - emulgują nierozpuszczalne w wodzie składniki odżywcze w pożywce

• Odpieniacze - naturalne (olej słonecznikowy), syntetyczne (silikony)

• Substancje stałe (śruta rzepakowa jako podłoże do rozwoju grzybów mikroskopowych)

• Antyseptyki i antybiotyki (w przemyśle spirytusowym w celu wyeliminowania zakłócenia w produkcji i spadek wydajności alkoholu)

• Substancje buforujące - zmieniają pH (białka, peptydy, aminokwasy)

• Substancje chelatujące - zawierają grupy kompleksujące - ligandy, które związane odwracalnie z jonami tworzą kompleksy rozpuszczalne

8. Bioreaktory - budowa, klasyfikacja.

Bioreaktory (fermentatory) to urządzenia stosowane do hodowli drobnoustrojów, komórek roślinnych i zwierzęcych. Mogą być przemysłowe, laboratoryjne.

Procesy zachodzące w bioreaktorach - przemiany:

wzrost drobnoustrojów

wytwarzanie pożądanych produktów metabolizmu

enzymatyczne wytwarzanie surowców

wzrost komórek roślinnych i zwierzęcych

Istotna rolę odgrywają przemiany fizyczne związane z mieszaniem, wymianą masy i ciepła. Szybkość i wydajność procesów zależy od uwarunkowań biochemicznych, fizjologicznych, termodynamicznych i kinetycznych związanych z zachodzącymi procesami biochemicznymi jak i fizycznymi procesami transportu.

Są to urządzenia skonstruowane w sposób umożliwiający kontrolę procesu produkcyjnego jego optymalny przebieg (pomiar i regulację paramentów) w warunkach maksymalnego ograniczenia lub całkowitego wyeliminowania możliwości zanieczyszczeń.

Do pracy w warunkach laboratoryjnych stosuje się bioreaktory od kilku do kilkunastu litrów. Są one wykonane ze szkła i mogą być sterylizowane w autoklawach.

W praktyce przemysłowej stosuje się bioreaktory wykonane ze stali kwasoodpornej o pojemności od kilku dziesięciu litrów do kilkuset m³. Bioreaktory o pojemności do 2 tys. m³ są do oczyszczania ścieków.

Klasyfikacja bioreaktorów

Z uwagi na sposób prowadzenia procesu bioreaktory można podzieli na trzy grupy:

• bioreaktory do hodowli wgłębnej

• bioreaktory do hodowli w podłożu stałym

• bioreaktory z unieruchomionych materiałem biologicznym

9. Omów podział technik hodowli drobnoustrojów ze względu na stan fizyczny pożywki.

Klasyfikacja technik hodowli drobnoustrojów ze względu na stan fizyczny pożywki

Hodowle w podłożach ciekłych

Hodowle w podłożach stałych

Zawiesina mikroorganizmów w ciekłej pożywce (hodowle wgłębne)

Wzrost grzybów w postaci „kożucha” na powierzchni ciekłej pożywki (hodowle powierzchniowe)

Hodowle z unieruchomionym materiałem biologicznym na powierzchni nośnika lub zamknięcie w jego wnętrzu

Stosowane do hodowli grzybów strzępkowych w ziarnie zbóż, otrębach pszennych, odpadach celulozowych

10. Hodowla ciągła - warunki, zastosowanie.

Prowadzona jest w reaktorze przepływowym zasilanym pożywką. Z aparatu w sposób ciągły odprowadzany jest płyn pofermentacyjny z biomasą.

Stężenie biomasy i substratu w strumieniu odpływającym bioreaktora są takie same jak w jego objętości. Natężenie odbioru płynu ze zbiornika jest równe natężeniu dopływu pożywki.

Hodowle ciągłe stosowane są w procesach, w których konieczna jest kontrola stężenia substratu. W hodowli ciągłej preferowane są komórki szybko rosnące. Proces ten jest odpowiedni do otrzymywania biomasy oraz metabolitów pierwotnych.

Trudności w hodowli ciągłej:

niehomogeniczność zawiesiny w bioreaktorze

utrzymanie jałowości

utrzymanie stabilności hodowli

Warunki:

• korzystny stosunek liczby komórek do pożywki plus powietrze, przy którym podziały komórek są szczególnie intensywne,

• hodowlę prowadzić w sposób nieprzerwany, przez ciągłe odbieranie komórek, ciągły dopływ pożywki oraz ciągłe usuwanie szkodliwych produktów wydalania,

• zastosowanie kosztownej aparatury do pomiaru i regulacji stężenia pożywki,

• regulacja nasilenia światła, liczby komórek, temperatury, stopnia zakwaszenia pożywki, zmętnienia.

Zastosowanie:

• hodowla drożdży, glonów i bakterii w celu otrzymania białka paszowego,

• produkcja kwasów organicznych,

• biomasy,

• antybiotyków,

• enzymów,

• czystych kultur- inokulum,

• rozpuszczalników organicznych,

• degradacja celulozy,

• oczyszczanie ścieków.

13. Zalety i wady ekstrakcji nadkrytycznej.

• możliwość regulowania rozpuszczalności poszczególnych składników w zależności od temperatury i ciśnienia procesu

• prowadzenie procesu w niskiej temperaturze

• stosowanie nietoksycznych rozpuszczalników

• całkowite rozdzielenie rozpuszczalnika z ekstraktu

• frakcjonowanie wyekstrahowanych substancji w trakcie ich wydzielania (duża selektywność procesu

• proces ekstrakcji przebiega bez dostępu powietrza, co chroni substancje przed utlenianiem

• możliwość recyrkulacji rozpuszczalnika, co obniża koszty

• konieczność stosowania drogiej wysokociśnieniowej aparatury

• ponoszenie znacznych nakładów energii na sprężanie rozpuszczalnika

14. Opisz liofilizację kultur drobnoustrojów (warunki, zastosowanie).

Polega na suszeniu próżniowym zamrożonej kultury w temperaturze -73°C (mieszanina suchego lodu z etanolem) zawieszonej w odpowiedniej pożywce ochronnej. W warunkach głębokiej próżni następuje sublimacja wody (ok. 99% suchej masy). Obecność niewielkiej ilości wody zabezpiecza białka przed degradacją.

Metoda wymaga specjalnego urządzenia z pompa próżniowa obniżającą ciśnienie do rzędu 0,1-0,01 Pa oraz elementu umożliwiającego zamknięcie buteleczek z liofilizowanym materiałem pod próżnią. Używana do produkcji szczepionek bakteryjnych i wirusowych.

Metoda ma też liczne niedogodności, do których należą:

• duży efekt letalny

• możliwość powstawania mutacji

• stosowanie specjalnej, kosztownej aparatury

11. wymień procesy stosowane do wydzielania i oczyszczania produktów biosyntezy w zależności od ich zasadniczej funkcji.

- separacja produktów nierozpuszczonych i cząstek stałych - rozdzielanie zawiesin: wirowanie i filtracja

- wydzielanie i koncentracja produktu - ekstrakcja rozpuszczalnikowa, adsorpcja, procesy membranowe
- oczyszczalnie produktu - techniki chromatograficzne, elektroforeza, precypitacja
- końcową obróbkę - krystalizacja i suszenie

12. Ogólna charakterystyka metod membranowych

Mikrofiltracja - filtracja membranowa - Stosuje się duże prędkości liniowe przepływu zawiesiny wzdłuż przegrody filtracyjnej, którą jest mikroporowata membrana. Proces realizowany jest w filtrze zwanym modułem membranowym

Ultrafiltracja - rozdział oparty jest na fizycznym odsiewaniu cząstek substancji rozpuszczonych przez membranę o odpowiedniej porowatości, nie występuje przeciwciśnienie osmotyczne. Stosowane ciśnienia nie przekraczają 1 MPa.
Ultrafiltracja umożliwia rozdzielanie składników na poziomie molekularnym (wyodrębnianie enzymów i antybiotyków).

Nanofiltracja - W nanofiltracji stosuje się membrany pozwalające na przepływ niektórych jonów np. Na K.
Ciśnienie stosowane przy nanofiltracji waha się od 1 do 3 Mpa. Stosowana do usunięcia z roztworu np. białek, cukrów i innych dużych cząstek, pozostawiając w filtracie sole.

Stosowana w procesach uzdatniania i zmiękczania wody.

Odwrócona osmoza - hiperfiltracja - U podstaw procesu odwróconej osmozy leży zjawisko osmozy naturalnej : samorzutne przenikanie rozpuszczalnika przez membranę w kierunku roztworu o większym stężeniu.
Odwrócona osmoza pozwala oddzielić rozpuszczalnik od substancji rozpuszczonych niskiej masie cząsteczkowej np. sole i cukry.
Stosowane ciśnienie robocze są wysokie i wynoszą od 1 do 10 MPa.

Dializa i eletrodializa - Efekt rozdzielania w dializie jest spowodowany różnica w szybkości dyfuzji molekularnej składnika roztworu w membranie. Stosowana do rozdzielania makrocząsteczek lub cząstek koloidalnych od związków małocząsteczkowych.
W elektrodializie składniki jonowe roztworu przenikają pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego przez membrany jonitowe, mają zdolność selektywnego przenoszenia jonów. W elektrolicie umieszczonym w polu elektrycznym kationy i aniony poruszają się do odpowiednich elektrod.

Perwaporacja - permeacja z odparowaniem - To proces separacji roztworów ciekłych zachodzącym z częściowym odparowaniem cieczy w membranie nieporowatej i prowadzącym do otrzymania permeatu w postaci pary (konieczność doprowadzenia do cieczy ciepła parowania).
Stosowana w odwadnianie etanolu lub usuwanie związków organicznych z wody.

15. Suszenie rozpyłowe - wady i zalety, zastosowanie.

Zalety:

• wysoka jakość gotowego produktu, możliwość uzyskania biopreparatów z niewielką stratą aktywności biologicznej,

• duża intensywność wymiany ciepła między roztworem a ogrzanym czynnikiem suszącym, zależna od temp. i wilgotności czynnika suszącego oraz dyspersji roztworu (wielkość kropel),

• możliwość automatycznego sterowania procesem,

• odwadnianie roztworów systemem ciągłym.

Wady:

• mała wydajność odparowania wilgoci, co wymusza projektowanie dużych rozmiarów komór,

• duże zapotrzebowanie na energię,

• duże koszty inwestycyjne.

Zastosowanie:

• przemysł spożywczy (mleko w proszku, kawa rozpuszczalna),

• przemysł chemiczny i kosmetyczny,

• farmacja (suszenie ekstraktów).

16. Podział bakterii kwasu mlekowego

17. omów wymagania dot. Szczepów probiotycznych

• dokładnie zidentyfikowane pochodzenie, gatunek, szczep,

• status GRAS- całkowity brak toksyczności i patogenności, brak zdolności do wywoływania reakcji alergicznych,

• zdolność do zasiedlania,

• zdolność przeżywania i namnażania w górnych odcinkach przewodu pokarmowego,

• właściwości antagonistyczne w stosunku do mikroorganizmów chorobotwórczych i zdolność do konkurowania z nimi,

• zapobieganie infekcjom pokarmowym,

• stymulowanie układu odpornościowego,

• działanie obniżające poziom cholesterolu we krwi,

• obniżanie ciśnienia tętniczego u osób z nadciśnieniem,

• właściwości przeciwbiegunkowe,

• zapobieganie próchnicy,

• łatwe namnażanie się w warunkach In vitro,

• odporność na niskie pH,

• stabilność genetyczna.

18. omów otrzymywanie ksantanu

Otrzymywanie ksantanu przez Xanthomonas campestris
1. biosynteza ksantanu
- przygotowanie inokulum i fermentacja w bioreaktorze
- metoda okresowa: 25-34stC, pH = 7, 40-144h
- w pożywce z glukozą lub sacharozą, azotem i mikroelementami
2. wydzielanie biopolimeru
- wydzielanie ksantanu z cieczy pofermentacyjnej, zawierającej 10-30 g/dm3 ksantanu, 1-10g/dm3 komórek
- 3-10g/dm3 niewykorzystanych składników odżywczych
- ksantan jest wydzielany przez odparowanie lub przy użyciu rozpuszczalników organicznych po odfiltrowaniu lub oddestylowaniu rozpuszczalników jest przemywany, suszony w warunkach zmniejszonego ciśnienia (10% wody), mielony i pakowany

19. Omów otrzymywanie kwasu mlekowego

• z surowców tj.: skrobia ziemniaczana lub zbożowa po scukrzeniu amylazą, sacharoza, glukoza, melasa, serwatka, permeat mleka lub serwatki, ługi posulfitowe,

• fermentacja w pożywce jest najczęściej prowadzona przez bakterie Lactobacillus, lub Streptobacterium i Lactococcus,

• w celu utrzymania odpowiedniej kwasowości pożywki jest dodawany węglan wapnia (kreda), można też stosować do tego wodorotlenek wapnia lub amonu,

• w pierwszej dobie odfermentowuje 4-5% sacharydu, reszta- stopniowo w kolejnych dniach, przy malejącej szybkości fermentacji,

• ciecz pofermentacyjna:

• zawiera 10-12% mleczanu wapnia, związki organiczne i nieorganiczne,

• alkalizowana Ca(OH)₂ do pH 9-10,

• ogrzewana do 80-90°C w celu oddzielenia komórek bakterii, białek, kiełków, zarodków

• odbarwiana węglem aktywnym,

• krystalizacja soli w wyparce próżniowej w roztworze zagęszczonym (do 25% mleczanu wapnia),

• z kryształów mleczanu wapnia kwas mlekowy jest uwalniany kwasem siarkowym(VI),

• po oddzieleniu wytrąconego osadu gipsu w filtrach próżniowych zagęszczany do wymaganego stężenia i oczyszczany.

20. Utrwalanie biologiczne mięs i produktów mięsnych

CEL:

• zapobieganie rozwojowi mikroflory,

• polepszenie trwałości,

• zapewnienie odpowiedniej barwy,

• zapewnienie odpowiedniego smaku i zapachu.

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA JAKOŚĆ:

• rodzaj bakterii, wielkość szczepionki,

• receptura,

• jakość surowców i dodatków,

• stopień rozdrobnienia,

• kaliber osłonki,

• warunki produkcji: temperatura, wilgotność, dym.

Grupy mikroflory:

• Lactobacillus- bakterie kwasu mlekowego (homofermentatywne laseczki)

z cukru dodanego lub obecnego w mięsie produkującym kwas mlekowy.

• Pediococcus- wytwarza kwas mlekowy, octowy, mrówkowy, propionowy. Do kiełbas o średnim stopniu rozdrobnienia ale o bardzo przyjemnym aromacie.

• Staphylococcus wytwarza katalazę która rozkłada H2O2 i powoduje utlenianie się mięsa (zmiana barwy, jełczenie mięsa). Wytwarza reduktazę octanową powodującą szybszą reakcję przejścia azotanów V do azotanów III co ma wpływ na barwę mięsa.

• Streptomyces debaryomyces- przyczyniają się do powstania swoistego aromatu charakterystycznego dla kiełbas suszonych, wykrywane tylko na powierzchni.

Penicillum candidium, penicillium nalgiovense grzyby pleśniowe nanosi się a powierzchnię produktu, gdzie w obecności tlenu tworzą charakterystyczny nalot

21. Etapy produkcji piwa

• produkcja słodu,

• produkcja brzeczki,

• fermentacja brzeczki,

• leżakowanie i dojrzewanie piwa,

• filtracja piwa,

• stabilizacja piwa,

• nasycenie piwa CO_2,

• rozlew piwa.

22. Klasyfikacja biosensorów

Podstawą klasyfikacji biosensorów są dwa kryteria: zasada działania i konstrukcja przetwornika. Ze względu na zasadę działania wyróżnia się następujące rodzaje biosensorów:

• Biosensory katalityczne. W tego typu biosensorach czujnik rejestruje ubytek substratu lub przyrost produktu w reakcji chemicznej katalizowanej przez materiał biologiczny w postaci enzymu, tkanki lub drobnoustrojów, np. w reakcji utleniania glukozy (β -D-glukoza + 0₂ = kwas glukonowy + H₂0₂) katalizowa­nej oksydazą glukozową (GOD), stężenie glukozy wyznacza się pośrednio przez pomiar ubytku tlenu zużywanego w reakcji bądź przez pomiar przyrostu nadtlenku wodoru lub jonów wodorowych powstających po dysocjacji kwasu glukonowego.

• Biosensory powinowactwa. W takich biosensorach tworzenie trwałego kom­pleksu substratu z receptorem o zmiennych właściwościach jest rejestrowane przez czujnik. Warstwa materiału biologicznego, np. przeciwciała, lektyny (białka zdolne do selektywnego wiązania sacharydów), hemoglobina, DNA, jest zazwyczaj jednorazowego użytku i po dokonanym pomiarze jest wymieniana na nową.

• Biosensory złożone. Wykorzystują one kilka reakcji następujących po sobie bądź równoległych. Zastosowanie sensorów z kilkoma enzymami lub innymi substancjami biologicznie czynnymi wzmacnia sygnał, eliminuje wpływ substancji przeszkadzających i umożliwia oznaczanie związków, które bezpośrednio nie oddziałują z danym sensorem. Na przykład do oznaczania sacharozy stosuje się biosensor z dwoma enzymami: inwertaza, która hydrolizuje sacharyd do fruk­tozy i glukozy oraz oksydazą glukozową, która utlenia glukozę pod wpływem tlenu.

• Sensory biomimetyczne. Takie sensory naśladujące narządy zmysłów (smak, węch) zazwyczaj nie zawierają materiału biologicznego jako warstwy recep­torowej i dlatego nie zawsze są zaliczane do biosensorów. Najbardziej znany spośród nich jest „sztuczny nos" - sensor do rozpoznawania zapachów, który składa się z kilkunastu czujników chemicznych o przewodnictwie zmieniającym się w różny sposób, w zależności od adsorpcji na nich rozmaitych związ­ków z fazy gazowej. Odpowiedni układ elektroniczny, zazwyczaj typu sieci neuronowej, analizuje sygnały z poszczególnych czujników i określa zapach. Układ kontrolny najpierw uczy się, poznając i zapamiętując wzorcowe zapachy. Zapach produktu jest często miarą jego jakości (bukiet wina, aromat kawy lub herbaty), może świadczyć o stopniu jego dojrzałości (owoce, sery dojrzewające), a także wskazywać na rozpoczęcie procesów mikrobiologicznego psucia się żywności.

Ze względu na konstrukcję przetwornika wyróżnia się następujące rodzaje biosensorów:

• Biosensory elektrochemiczne: potencjometryczne, amperometryczne, kulometryczne, konduktometryczne.

• Biosensory półprzewodnikowe - tranzystory polowe.

• Biosensory optyczne. Korzystają z absorpcji promieniowania, fluorescencji, chemiluminescencji, bioluminescencji, powierzchniowego rezonansu plazmowego (ang. Surface Plasmon Resonanse - SPR).

• Biosensory mechaniczne (piezoelektryczne): masowe, fali akustycznej.

• Biosensory entalpimetryczne (termiczne).

• Inne, np. magnetyczne.

Niekiedy biosensory klasyfikuje się również ze względu na rodzaj czujnika, rozróżniając biosensory: komórkowe, tkankowe, enzymatyczne, immunologiczne i chemiczne.

23. Zastosowanie biosensorów w przemyśle spożywczym

--glukometry, które są powszechnie stosowane do oznaczania glukozy w sokach owocowych, napojach, winie, napojach typu instant, lodach, dżemach, miodzie.
--Firmy produkujące frytki wykorzystują badanie zawartości glukozy w wodzie po płukaniu pokrojonych ziemniaków do przewidywania barwy gotowego produktu.
--Czujnik w kształcie ostrza z kilkoma miniaturowymi elektrodami glukozowymi wprowadzony do mięsa pokazuje profil zawartości glukozy od powierzchni w głąb, który informuje o świeżości produktu i stopniu skażenia mikrobiologicznego.
--Elektrodę glukozową można stosować on line do kontrolowania przebiegu różnorodnych procesów fermentacyjnych.

--Biosensory z immobilizowaną oksydazą lub dehydrogenazą są stosowane do oznaczania zawartości etanolu w napojach alkoholowych, preparatach drożdży, do kontroli przebiegu fermentacji piwa lub wina.
--Oznaczanie L-mleczanów, przy użyciu elektrod z oksydazą L-mleczanową, jest przydatne do kontrolowania procesów fermentacyjnych w mleku UHT i w winie oraz do oceny jakości i świeżości warzyw w puszkach

--oznaczanie świeżości ryb. Łączna zawartość inozyno-5'-fosforanu, inozyny i hipoksantyny powstających po śnięciu ryby wskutek stop­niowego rozkładu ATP oraz wzajemna relacja ich stężeń świadczą o świeżości mięsa rybiego ( elektrod z immobilizowanymi 5'-nukleotydazą, fosforylazą nukleozydów i oksydazą ksantynową)

.--Jakość i świeżość olejów, można oznaczać na podstawie zawartości nadtlenków powstających po utlenieniu polienowych kwasów tłuszczowych, stosując elektrodę tlenową z immobilizowaną peroksydazą.

--Zawartość polifenoli w oliwie oraz w herbacie, piwie i winie można oznaczyć elektrodą tlenową z immobilizowaną oksydazą polifenoli (tyrozynaza).

--Do oznaczania pozostało­ści S0₂ stosowanego do utrwalania wina i suszonych owoców używa się elektrody z immobilizowaną oksydazą siarczanową(IV).

-- w mleczarstwie np. wykrywania antybiotyków, mikroflory, pestycydów, azotanów, wit. C, cholesterolu

Zagadnienia na zaliczenie z przedmiotu „Biotechnologia”

Zagadnienia na zaliczenie z przedmiotu „Biotechnologia”

---