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
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
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
Wykład 4. 24.03.2009 r.
1
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 m3 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 + CO2 wymywanie H2CO3
3) wymywanie 2,5 N H2SO4 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 Hamuje syntezę DNA, RNA
spektrum, p-nowotworowy i białka
CYKLOSPORYNY Immunosupresory, w
transplantacjach
DRAZOMYCYNY Rak przewodu pokarmowego i Antagoniści Gln, synteza puryn
tkanek miękkich
NETROPSYNA p-fagowa, p-wirusowa, p- DNA, RNA, białko
ślimakom
NICYNA p-pierwotniakom,
antymalaryczna
POLIMYKSYNY Infekcje przewodu moczowego Działa na błony
VALINOMYCYNA Nośnik K+, rozprzęga
fosforylację oksydacyjną
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
1. cykliczne np. Ituryna A, WZÓR
2
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 P388 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)
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
Pirolopirymidyny, pirazolopirymidyny, -azacytydyna, wzorki
3
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 ą L-iduronidazy
- PHENYLASETM rekombinowana amoniakoliaza fenyloalaniny z drożdży fenyloketonuria
- transgeniczne lipazy z kukurydzy choroby trzustki
- Thera CLEC TotalTM (lipaza, amylaza, mieszanina proteaz)
- PULMOZYME (dornaza ą) 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
- VIBRALASETM (rekombinowana vibrolizyna Vibrio proteolytius)
Enzymy w leczeniu chorób zakaznych
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
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
Wzory
4
- 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 ą hydroksyprogesteron 85%
Progesteron 6 11 ą dihydroksyprogesteron 6%
1-dehydrogenacje (Arthrobacter simplex, B. sphaericus, Nocardia, pleśnie: Septomyxa affinis,
Fussarium solani)
Hydrokortizon Prednizolon
16-ą-hydroksylacje (Streptomyces roscochromogenes)
3 ą fluorokortizon 16 ą hydroksy 8 ą fluoro kortizon + 2 16 ą
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
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
Technologie wytwarzania przeciwciał monoklonalnych
5
*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
u
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
Wykład 5. 31.03.2009 r.
6
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%), O2
zmiany procedur: moczenie zmiękczanie, temperatura, kwas giberelinowy (regulacja i
przyspieszenie kiełkowania)
*stopieo słodowania dotyczy 3 głównych polimerów endospermy:
glukan, pentozany (śc.kom.)
hordatyny
skrobia
*indeks modyfikacji stopieo solubilizacji białka
stopieo przekształcenia polisacharydów ściany komórkowej
niskocząsteczkowe cukry
stopieo degradacji skrobii
*suszenie słodu: 50-60C
71C stopniowo strumieniem powietrza
71-82C
Chmiel suszone kwiatostany (substancje smakowe gorzkie i bakteriostatyczne, humulony,
lupulony) ekstrakty chmielowe wzory
Woda ścisła kontrola jakości (węgiel aktywny, żywice jonowymienne)
Ca++ - ochrona ą amylazy przed termoinaktywacją
- stymulacja proteaz i amylaz
[CaSO4, 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 85C, silne mieszanie (nieekonomiczne)
*chłodzenie do 8-10C (powietrze, woda, mieszaniny chłodzące)
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
Fermentacja
7
Saccaromyces usarium (carlsbergensis) Saccaromyces cerevisiae
! !
Lager ale
(fermentują na dnie, 7-15C) (fermentują na powierzchni, 18-22C)
gen MEL egzokomórkowa
ą 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 (H2S, SO2, siarczek dimetylowy (lager))
Oddzielenie drożdży wirówki, leżakowanie 2-6C, na 4 miesiące, pasteryzacja, filtracja (osady
koloidalne)
Enzymologia produkcji piwa
produkcja słodu
Słód jęczmienny własne enzymy: ą i amylazy, solubilaza glukanu, glukanaza, endopeptydazy)
Ograniczony przedział temperatur możliwośd kontroli stopnia rozkładu skrabii, białka, glukanu
Metoda dekokcyjna i infuzyjna zaawansowana proteoliza
Przerwa białkowa 20 -2,5h, 45-53C
Przerwy cukrowe 30 -90 , 65-66C
! ę!
Główna reakcja hydroliza skrobii
zacieranie
63-65C stabilizacja amylaz słodu: jonami Ca, wysokim stężeniem substratu, pH 5-6
-inaktywacja proteinaz
*produkcja piwa nisko- i bezalkoholowego ;)
72-75C inaktywacja amylazy słodu
+ termostabilna ą amylaza bakteryjna
+ 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) ą amylaza bakteryjna BAN 120L Novo Nordisk, BREWERS AMYLIQ Gist Brocades, ALFA AMYLAZE
Solway
b) glukanaza bakteryjna CEREFLO Novo Nordisk
c) glukanaza grzybowa AMB/GLUCANASE XL Biocatalyst Ltd.
d) bakteryjna proteinaza neutralna NEUTRASE Novo Nordisk
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
e) mieszanka enzymatyczna BREWERS FLOW Gist Brocades, CEREMIX Novo Nordisk
8
- MUTAREX (Novo Nordisk) (dekarboksylaza & ) ( diacetyl) przyspiesza dojrzewanie piwa
- OKSYDAZA GLUKOZOWA (rozp. i immobil.) obniza stężenienie O2 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
*yródła 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
*yródła N: wodne r-ry NH3, sole amonowe, hydrolizaty białka,NO3- i NO2- nie są asymilowane
System transportu: K+ zależny, ( Glu, Gln)
*Sole nieorganiczne:
P- H2PO4- - aktywny transport, K+
- PO43- - Na+
K aktywny transport, H+
Mg, Ca aktywny transport
S SO42-, aktywny transport
*witaminy: grupa B complex (biotyna, kwas pantotenowy, inozytol, tiamina, pirydoksyna, niacyna)
*zapotrzebowanie na tlen: 1g O2 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 30C
- forma kremu
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
- prasowane 27-30% stałych drożdży
9
- 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 (-40C, -70C, ciekły azot -196C)
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, -45C aktywne 1 rok, 1g DVS = 5x1010jtk/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)
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
- Leuconostoc cremoris = maślanka
10
- L. dextranicum = smak (acetoina)
Laktoza glukoza + galaktoza pirogronian kwas mlekowy, ślady CH3COOH, CO2
Główne produkty fermentacyjne
produkt temp., czas starter
Kwaśne mleko 37-40C, 16-18godz. L. acidophilus
Maślanka 22C, 18godz. S. cremoris lub lactis
S. diacetylactis lub Leuconostoc
Kefir 18-22C, 12godz. ziarna kefirowe
10C, 1-3dni Streptococcus, Lactobacillus
cancasicus,Leuconostoc,
drożdże
Kumys 28C, 2godz. L. bulgaricus, Torulopris kolmii
Jogurt 43-45C, 3dni S. thermophilus, L. bulgaricus
Kwaśna śmietana 22C, 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 CO2
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 (+ CH3COOH + CO2) (homofermentacja
mlekowa)
PASTERYZACJA HTST high temperature short time 72C/15sek
(niszczy patogenne bakterie: Salmonella, Mycobacterium, unieczynnia enzymy mleka bakteryjne
lipazy)
PROCEDURA UHT ultra-heat-treated 141C/3sek (wtłaczanie między rozgrzane płyty)
Aseptyczne pakowanie (ok. 6 miesięcy poza chłodnią)
u
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
Wykład 6. 7.04.2009 r.
11
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 38C Cheddar, 52C Swiss
nadawanie kształtu prasowanie
solenie
dojrzewanie (działają bakterie, enzymy mleka, podpuszczka, dodane lipazy, pleśnie drożdże) 4-
15C kilka tygodni-2 lata
1874 duoska firma Christian Hansen A/S preparat podpuszczki cielęcej chymozyny (dla serów
dojrzewających)
proteinazy koagulujące
lipazy (wzbogacają aromat)
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, 30C (większe osady)
- klarowanie sedymentacja, 28-30C, pompowanie przez sedymentator 7tys-50tys l/godz
- usuwanie bakterii, wirówki, 54C
- subpasteryzacja 63-65C 4-8C
- ultrafiltracja (sery miękkie)
- pasteryzacja 63C-30min / 72C-16sek
- dodatki 0,02%CaCl2 (lepsza koagulacja), NO3- (Edam, Gouda, Swiss), kolor (barwniki pochodzenia
roślinnego), lipazy (Parmezan)
Serwatka 90% objętości mleka
-zagęszczanie odwrotna osmoza, ultrafiltracja
-frakcjonowanie
Max odzysk białka denaturacja > 90C , 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 + CO2 Freshi Szwajcaria (50% serwatki + soki
cytrusowe + cukier, woda 90C, 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)
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
- ma zapewnid prawidłowy stan mikrobiologiczny produktu poprzez zapobieganie zagrożeniom w
12
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 (zródło 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) CH3COCOCH3
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 ł i hydroksykwasów
Zapachy: brzoskwiniowy, śmietankowy, owocowy, orzechowy, kokosowy, miodowy
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
WZORY
13
Patent: drożdże Pityrosporum
Substrat: kwas olejowy, lecytyna
Kwas izowalerianowy (CH3)2CHCH2COOH
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 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, Whlen 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
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
Wanilia i wanilina nie znana do czasów Corteza(1520)
14
Do 1816 izolowana z nasion wanilii
1874 poznano strukturę
Konsumpcja 12000ton/rok ~50ton z naturalnych zródeł
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$/kg
Z naturalnych zródeł roślinnych 20000$/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
! CH4
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)
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
*gaz opałowy Pseudomonas 5401 (n-alkany)
15
*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 C16 i C18 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--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
u
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
Wykład 7. 21.04.2009 r.
16
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
yródło C: różne cukry, przemysłowo: melasy, hydrolizaty skrobiowe
yródło N: NH4Cl, (NH4)2SO4, mocznik, NH3
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 Mg2+ w mięśniu sercowym (asparagina)
-sól K- choroby wątroby
Sól Fe-anemia
-związki powierzchniowo-czynne
-B6 + 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 37C,18 godz.-88% L-Asp
-proces ciągły-przemysłowy (Japonia) (aspartam = amoniakoliaza aspar)
-kolumna-E.coli w poliakrylamidzie (120dni w 37C), E.coli w karageninie (2lata)
-1 i 2M fumaran amonu, 1mM Mg2+, pH 8,5, 37C
Schemat procesu kolumnowego: 60% H2SO4, chłodzenie 15C, wirowanie, przemywanie H2O
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%)
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
-farmakologia (10%)
17
-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 Ca2+ 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/m3; 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, temp30C)
7-15dni-opróżnienie korytek i usunięcie myceliów, płyn hodowlanysekcja oczyszczająca
Proces wgłębny: różne typy fermentorów, zbiorniki z mieszaniem i napowietrzaniem, fermentory
wieżowe wymagają efektywnego chłodzenia temp. 25-37C pH 3,5 (NH3)
Proces fermentacji na podłożu stałym: Japonia; otręby pszenne, melasy
Kwas glukonowy
50tys ton/rok
- 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 NH2
Produkcja:
-met.chemiczne-utlenienie D-glukozy elektrochem. W obecności ??? lub O2 + 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
-PO43-, K+, Mg2+, pH 6-7 (NaOH) temp 30-33C, 19godz. 109% (na 100kg glukozy)
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
2)-skrobia podhydrolizowana bakteryjnymi ą-amylazami do dekstranu + syrop kukurydziany, K2HPO4,
18
30C, 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
40C, pH 5-7 (fakultatywne anaeroby)
1cz.glukozyglikoliza2cz.kwasu mlekowego
Typowa wydajnośd 100g 90g kwasu mlekowego
-może powstad D(-); L(+); racemat
Wymagane cechy producenta przemysłowego:
Szybki i efektywny rozkład taniego zródła C, minimalne zapotrzebowanie na zródło 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% zródło cukru (serwatka)
2-6dni 15% zródło cukru (glukoza, sacharoza)
filtracja; dekoloryzacja (węgiel aktywny); odparowanie w 70C, 0,5atm; zakwaszenie mlecznu Ca
(69% H2SO4); kolejna filtracja, zagęszczanie, dekoloryzacja
Polska Akwawit Leszno (Lactobacillus delbruechii, sacharoza + kiełki/ekstrakt drożdżowy, 50-55C,
2-8dni
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
BIOTECHNOLOGIA SPOŻYWCZA W POLSCE
19
1)Wołczyn, Maszewo produkcja osmofilnych drożdży piekarskich (Politechnika Aódzka 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 ą-1,6!tu przestaje działad
amylaza->oligo-1,6-glukozydaza) cięte przez ą amylazy
ą-amylazy enzymy dekstrynogenne (endoglikozydazy)
!
Oligosacharydy (6-7cz. glukozy)
!
Maltoza
-amylazy enzymy sacharogenne
SCHEMAT
Skrobia kukurydziana
! kwaśna hydroliza
Dekstroza (mało słodka, gorzka, kolor)
Metody enzymatyczne
Skrobia Bakteryjne ą-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)ą-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 Mg2+
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
6)druga rafinacja
20
-system: węgiel aktywny wymieniacz jonowy
!
42% HFCS odparowanie 71%
Proces produkcji TAKA-SWEETFM (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
OPTISWEET22
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
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
Proteinazy serynowe alkaliczne
-trypsynopodobne: -Streptomyces, -pankreatyna (przem.spożywczy, farmaceutyczny, 21
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, -glukanazy, hemicelulazy, ksylanazy, dekstranazy
laktaza
pektynazy galakturanazy
lipazy
PEKTYNAZY
Z Aspergillus niger (esteraza + liaza endopoligalakturonowa +poligalakturonaza)
ekstrakcja soków owocowych
przetwórstwo soków cytrusowych
Skórka mielenie 90C chłodzenie pektynaza dostajemy naturalne substancje
zmętniające
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
reszta sok ! pektynaza (obniżenie lepkości)
22
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)n (G)m (G)n + (G)m
celobiohydrolazy (G)2 (G)n(red.) (G)2 + (G)n(red)
glukozydazy (G)2 G + G (+małe dekstryny)
*alkohol et. z celulozy
* obróbka nasion , browarnictwo, przetwórstwo owocowe
*wydzielanie wielocukrowców glonów morskich
-glukonaza 13/ 14
Hydroliza glukanu jęczmienia (jęczmieo, Peniclium emersonii)
Bacillus amyloliquefaciens komercyjnie
-glukanaza 13/ 16
Poliglukan wytwarzany przez Botrytis cinerea atakujący winogrona
dekstranazy
(Leuconostoc mesenteroides dekstran)
Komercyjne dekstranazy: endo ą16 glukanaza z Penicilium lilacinum, z Penicilium funiculosum
Laktaza glukozydaza (14)
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)
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
PEELZYME (Novo Nordisk) ułatwia mechaniczne obieranie skórki NOVO NORDISK, SOLWAY
23
ENZYMES GmbH, RMM, 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
*ą 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 CIGAEGO 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: ą 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, 140-150C, 8-10min
Obecnie kwasowo-enzymatycznie i enzymatycznie
-ogrzewanie skrobii (30-45% sm) pH 5,8-6 z termostabilną ą amylazą i 75-100ppm Ca
strumieniem pary 105-107C , 5-8min
-chłodzenie do 95C
-dodatek enzymu dekstrynizacja
Termostabilne ą amylazy:
-THERMAMYL (B.licheniformis) NOVO NORDISK
-OPTITHERM
-G-ZYME 6995 (B.stearothermophilus) ENZYME BIOSYSTEM INC
-NERVANASE - MT RHONE POULENC
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
Scukrzanie: syropy wysokiej konwersji (30% glukozy, 43% maltozy) glkozoamylazy, ą amylaza
24
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 ą amylazą (A.oryzae) lub 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 C13-C16
>20 różnych otrzymywanych na drodze fermentacji
produkt substrat mikroorganizm %
alginian Sacharoza Azotobacter vinelandii 5-45
lewan 2% Sacharoza Zymomonas mobilis <2
pullulan 5% Sacharoza Aureobasidium 50-60
pullulans
ksantan 6% Sacharoza Xanthomonas 38
campestris
galaktoglukan 6% Sacharoza Zooglea ramigera 55
Kasntan guma ksantanowa (żywica) m.cz. do 106
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
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
Lepkośd niezależna od temp. w zakresie 10-70C i stała w pH 6-9
25
Dekstran polimer 6"106, - ą-D-glukopiranoza
Komercyjnie produkowany Leuconostoc mesenteroides i L.dextranicum, ekstrakty
bezkomórkowe
WZÓR
produkcja sit molekularnych
Pullulan *maltotrioza+x n, 5x104-4x104
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
u
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
Wykład 9. 5.05.2009 r.
26
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 + zródło N ((NH4)2SO4, NH4O2)
melasa
wydajnośd 56-65% - 100-180kg/m3
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
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
ocet: jabłka, słód, winogrona, melasa, śliwki, (ocet winny z tych zródeł z fermentacji octowej
27
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
C2H5OH *dehydrogenaza alkoholowa E1+CH3CHO + H2O "! CH3CH(OH)2 *dehydrogenaza
acetaldehydu E2+ CH3COOH + H2O
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, CO2, H2)
Kwas mlekowy, bursztynowy, EtOH substraty bakterii niecelulolitycznych AcOH, CO2, H2
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
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
Kwas propionowy i masłowy
28
-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 zródło 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, CHCl3, 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%
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
ETANOL PROCES FERMENTACYJNY
29
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 85C, 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% H2SO4 (Scholler) lub 40-45% H2SO4 (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 H2SO4 i 0,5kg wapna/kg cukru
b) szybka kwaśna hydroliza
3450kPa, 240C, 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 -glukanazy celobioza glukoza)
Wstępna obróbka: mielenie i delignifikacja (ekstrakcja)
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
Biodegradacja celulozy
30
Enzymy celulolityczne:
-endoglukanaza
-egzo--1,4-glukanaza
-celobiohydrolaza
--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
C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + ATP
1g glukozy 0,511g EtOH
(reakcje uboczne tworzenie biomasy zużycie glukozy)
Dodatki: NH4Cl, MgSO4, CaCl2, 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 Mell-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% CH4, CO2, NH3
Produkcja biogazu z wywarów
-z melasy 290l gazu/ l EtOH
-ścieki posulfitowe 290l gazu/l EtOH
-skrobia kukurydziana 80l gazu/l EtOH
-nawóz (zapach!)
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
Aceton i butanol
31
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
u
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
Wykład 10. 12.05.2009 r.
32
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)
- odporna2 (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
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
33
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 MOBILIZUJCE
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
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
immobilizowane mikroorganizmy równoczesne usuwanie tlenków S, N z gazów pieców kotłowych,
34
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 239Pu 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.
Ag Kultura mieszana 0,32
Pseudomonas maltophilia 0,18
Th. ferrooxidans 0,25
Co Zooglea sp. 0,25
Cu Zooglea sp. 0,34
Ni Zooglea sp. 0,13
Pb Citrobacter 0,35
U 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 (AUGOWANIA)
*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
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
przy niskim stężeniu pierwiastka w złożu
35
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. 700kgU3O8/miesiąc
Efektywnośd tych metod zależy od:
-dostępności tanich zródeł wody (obieg zamknięty, woda z odwodnienie kopalo)
-składu rudy (obecnośd Fe+3, Mn+2)
-efektywności& (tajemnica firm)
REAKCJE BIOGEOCHEMICZNE O ZNACZENIU PRAKTYCZNYM
Geochemiczna aktywnośd mikroorganizmów
-wytwarzanie kwasów mineralnych H2SO4, HNO3
-wytwarzanie kwasów organicznych
-wytwarzanie H2O2 i związków chelatujących
Biogeochemia Cu:
-Cu w minerałach nie jest bezpośrednio wykorzystywana przez drobnoustroje (Cu+1, Cu+2 utlenienie
mały zysk energetyczny, jest też toksyczna)
-wymywanie Cu jest związane z utlenianiem związków Fe i S ( H2SO4, FeSO4, Fe2(SO4)3)
minerał skład Co się utlenia?
Chalkozyn Cu2S S-2
Chalkopiryt CuFeS2 S-2, Fe+2
Kowalin CuS S-2
Kupryt Cu2O -
Boruit Cu5FeSO4 Fe+3, S-2
Thiobacillus thiooxidans; Th.ferroxidans
(piryt) 2FeS2 + 7O2 + H2O 2FeSO4 + 2H2SO4
2FeS2 + 7 O2 + H2O Fe2(SO4)3 + H2SO4
Dla Cu w siarczkach:
Cu2S + 2Fe2(SO4)3 2CuSO4 + 4FeSO4 + S(H2SO4)
BIOGEOCHEMIA U
- w litosferze - 0,004% U (Afryka Kongo, Kanada)
Uraninit UO2, karnotyt K2O"2UO3"U2O5"3H2O, forbenit CuO"2UO3"P2O5"8H2O, 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, KMnO4)
- Dyson s Mine (USA), Australia, Zimbabwe (Uretoli Mine)
- proces bio płyn perkolacyjny uzupełniany 5-10% pirytu lub FeSO4
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
- oksydaza uranowa
36
- biologiczne metody wykorzystywania zródeł 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 NO3- - mieszana kultura bakterii
(Pseudomonas) NO3- N2 + 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
- zródło C
SCHEMAT:
- metoda ta oparta jest na podawaniu głównych składników odżywczych do złoża
- biorąc pod uwagę czynniki: pH 4-8, temp.<75C, zasolenie<10h, 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 CO32-)
- 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)
u
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
Dodatek A.: Opracowanie tematyka zajęć seminaryjnych
37
&
Dodatek B.: Opracowanie zagadnień na egzamin
&
Spis treści
Wykład 4. 24.03.2009 r......................................................................................................................... 1
Przemysłowy proces oczyszczania streptomycyny ............................................................................. 1
Zastosowania antybiotyków peptydowych ......................................................................................... 1
Trudności przy produkcji związków cytotoksycznych ......................................................................... 2
Proces wprowadzania nowego leku przeciwnowotworowego ........................................................... 2
Antybiotyki przeciwnowotworowe pochodzenia mikrobiologicznego ............................................... 2
Enzymy proteolityczne i glikolityczne do leczenia uszkodzeo tkanek ................................................. 3
Biokonwersje o znaczeniu praktycznym.............................................................................................. 4
Nowe trendy w biotechnologii dla medycyny ..................................................................................... 4
Technologia rekombinowanego DNA (recDNA) .................................................................................. 4
Technologie wytwarzania przeciwciał monoklonalnych ..................................................................... 5
Szczepionki .......................................................................................................................................... 5
Terapia genowa ................................................................................................................................... 5
Biochipy DNA (DNA BIOCHIP) .............................................................................................................. 5
Wykład 5. 31.03.2009 r......................................................................................................................... 6
Browarnictwo najstarszy proces biotechnologiczny ........................................................................ 6
Enzymologia produkcji piwa ................................................................................................................ 7
Drożdże piekarskie .............................................................................................................................. 8
Szczepionki mikrobiologiczne, startery ............................................................................................... 9
MLEKO ............................................................................................................................................... 10
Wykład 6. 7.04.2009 r......................................................................................................................... 11
Substancje wzmacniające smaki ....................................................................................................... 12
Metody biotechnologiczne ................................................................................................................ 13
Tłuszcze i oleje z mikroorganizmów .................................................................................................. 15
Wykład 7. 21.04.2009 r....................................................................................................................... 16
Kwas cytrynowy ................................................................................................................................. 16
Kwas glukonowy ................................................................................................................................ 17
Kwas mlekowy ................................................................................................................................... 18
Konwersja skrobi kukurydzianej ........................................................................................................ 19
Enzymy w procesach biotechnologicznych ....................................................................................... 20
Inne enzymy hydrolityczne ................................................................................................................ 21
Przemysł skrobiowy i gorzelnictwo ................................................................................................... 23
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
e-notatka - Biotechnologia - wyklad.pdf
aktualizacja: 2009/06/10 17:46
Wykład 9. 5.05.2009 r......................................................................................................................... 26
38
Biotechnologia otrzymywania niektórych odczynników chemicznych ............................................. 26
Otrzymywanie octu ........................................................................................................................... 27
Kwas propionowy i masłowy ............................................................................................................. 28
Etanol................................................................................................................................................. 28
Biodegradacja celulozy ...................................................................................................................... 30
Aceton i butanol ................................................................................................................................ 31
Glicerol .............................................................................................................................................. 31
Wykład 10. 12.05.2009 r..................................................................................................................... 32
Rolnictwo ........................................................................................................................................... 32
Biotechnologia środowiska ............................................................................................................... 33
Biotechnologia dla środowiska .......................................................................................................... 33
Dodatek A.: Opracowanie tematyka zajęd seminaryjnych .................................................................... 37
Dodatek B.: Opracowanie zagadnieo na egzamin ................................................................................. 37
u
SNy: Biotechnologia Studenckie Notatki Cyfrowe www.sny.one.pl
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
WYKŁAD 1 Wprowadzenie do biotechnologii farmaceutycznejWykład 7 stacj Genetyka Z BIOTECHNOLOGIĄWyklad 11 stacj Genetyka i biotechnologie lesneWyklad 12 stacj Genetyka z biotechnWyklad biotechnologiaWykłady Podstawy biotechnologia doc 5Biotechnologia w ochronie środowiska wykład 1 5Wykład 13 stacj Genetyka z BIOTECHNOLOGIĄWyklad 9 Genet z biotechWyklad 9 Genet z biotechbiotechn II wykladSieci komputerowe wyklady dr FurtakWykład 05 Opadanie i fluidyzacjawięcej podobnych podstron