Zastosowanie biotechnologii w przemyśle:
przemysł spożywczy: *tradycyjne procesy fermentacyjne: produkcja pieczywa, fermentowane produkty mleczne i roślinne, drożdże, napoje alkoholowe
produkcja piwa jest procesem biotechnologicznym, w którym wykorzystuje się fermentację cukrów prostych przez drożdże.*nowe technologie mikrobiologiczne: wytwarzanie białek,, jednokomórkowców SCP, aminokwasów, witamin nukleotydów,
kwasów organicznych polisacharydów; * zastosowanie enzymów do wytwarzania wyrobów mleczarskich, napojów fermentowanych, przetworów skrobiowych;* utrwalanie żywności (oksydaza glukozowa-antyutleniacz);
przemysł chemiczny i inne przemysły: *wytwarzanie surowców: alkohole: etanol, btanol, izopropanol, glikol etylenowy, glikol propylenowy, glicerol;kwasy: octowy, cytrynowy, amylowy; polimery( dekstran, ksantan, kwas poli-beta-hydroksymasłowy);
* nośniki energii-paliwa( biopaliwa, etanol , metan itd.); * biotechnologiczna obróbka surowców naturalnych: w przemyśle przy obróbce roślin włókienniczych, hydroliza skrobi,, fermentacja tytoniu, wyprawianie skór i odwłasianie;* biohydrometalurgia: ługowanie rud, odzyskiwanie metali;* bioelektronika: bioczipy
2. Zastosowanie biotechnologii w rolnictwie: agrobiotechnologia, która jest w stanie wdrożyć uprawy roślin transgenicznych oraz wyhodować zwierzęta bardziej dorodne oraz odporne na choroby i czynniki zewnętrzne. Agrobiotechnologia Oferuje szerokie spektrum możliwości produkcji celowanej oraz przetwórstwa produktów rolniczych. Dzięki perspektywom jakie daje zastosowanie metod biotechnologicznych staje się coraz bardziej realne zaspokojenie głodu na Ziemi, zapobieżenie kryzysowi paliwowemu oraz katastrofie ekologicznej.
a) produkcja pasz: preparaty białkowe, witaminowe, aminokwasowi, antybiotyki, stymulatory wzrostu, kiszonki roślinne
b) nowoczesne metody hodowli tkanek i komórek in vitro i metody inżynierii genetycznej zastosowane w produkcji roślinnej i zwierzęcej;
c) ochrona roślin: biopestycydy, bioinsektycydy, antybiotyki
d) lecznictwo zwierząt: szczepionki, antybiotyki:
e) dojrzewnie nasion w równym czasie i owoców, niszczenie szkodników
f) produkcja roślin modyfikowanych genetycznie GMO( bardziej odpornych odmian na niekorzystne warunki środowiskowe, odporne na choroby, można uzyskać z nich większą wydajność itd.) np. jabłonie odporne na insekty; kukurydzę, kapustę i pszenicę odporne na herbicydy. Transgeniczne krzewy kawowca produkują zwiększone ilości ziaren, z których kawa ma lepszy smak i bogatszy aromat.
g)produkcja biopaliwa -paliwo powstałe z przetwórstwa produktów organizmów żywych np. roślinnych, zwierzęcych czy mikroorganizmów. Metody produkcji biopaliw polegają na wytwarzaniu z oleju rzepakowego, zbóż uprawnych oraz trzciny cukrowej i innych produktów z dodatkiem biokomponentów ustalonych wg przepisów.
3.Zakres i zastosowania biotechnologii na potrzeby medycyny: zakres zastosowania biotechnologii w medycynie jest bardzo szeroki: * namnażanie drobnoustrojów oraz hodowla komórek zwierzęcych i n vitro w celu wytworzenia szczepionek i przeciwciał;* mikrobiologiczna biosynteza naturalnych metabolitów drobnoustrojowych: antybiotyków, aminokwasów, kwasów organicznych, witamin, enzymó, inhibitorów enzymów, dekstranu, alkaloidów;* mikrobiologiczna biosynteza hormonów peptydowych, antygenów oraz innych produktów przy użyciu szczepów konstruowanych metodami inżynierii genetycznej, zawierających obcą formacje genetyczną;* zastosowanie procesów biotransformacji mikrobiologicznej i enzymatycznej w produkcji leków steroidowych;* wytwarzanie przeciwciał monoklonalnych m.in. do celów diagnostycznych- testy immunologiczne;* produkcja białek ludzkich npo insuliny stosowanej w leczeniu cukrzycy;* analizowanie genomów, analiza restrykcyjna, sekwencjonowanie w diagnozowaniu chorób genetycznych; * produkcja komórek macierzystych * metody leczenia dla chorego mogą być zindywidualizowane np. produkcja tkanek w ramach przyczepów;
4. Zastosowanie peptydów i białek jako leków: Biofarmaceutyki to jedna z najszybciej rozwijających się klas leków. Są one wytwarzane dzięki procesom biotechnologicznym i zawierają w swoim składzie białka syntetyzowane drogą rekombinacji genetycznej i przy użyciu technik hybrydyzacji.W komórkach różnych gatunków bakterii, drożdży, roślin i zwierząt wytwarza się kilkadziesiąt leków peptydowych i białkowych; pierwszym dopuszczonym do handlowego obrotu była ludzka insulina syntetyzowana w bakteriach (1982) -(dzięki metodzie inżynierii genetycznej mogła być wytwarzana jako produkt handlowy produkowana w E.coli użyta w leczeniu cukrzycy); inne preparaty zatwierdzone do użytku w niektórych krajach to m.in. interferony, ludzki hormon wzrostu- (jest niezbędny w leczeniu wad wzrostowych występujących u niektórych dzieci), tkankowy aktywator plazminogenu, erytropoetyna, dysmutaza ponadtlenkowa, czynniki krzepliwości krwi (VIII i X)-(użyte w leczeniu hemofilii), czynnik stymulujący wzrost kolonii granulocytarnych, szczepionka przeciw wirusowemu zapaleniu wątroby typu B;
Antybiotyki peptydowe są głównie produktami metabolizmu mikroorganizmów. Często są one odporne na działanie enzymów proteolitycznych, znajdujących się w normalnych komórkach. Do grupy leków aminokwasowych zaliczyć można penicyliny. Cząsteczka penicyliny jest produktem cyklizacji dwóch aminokwasów: L-cysteiny i D-waliny.
Leki te produkowane są przez żywe organizmy, często genetycznie zmodyfikowane tak, by produkcja pożądanego białka była wydajna, by miało ono prawidłową strukturę trzeciorzędową (kluczowy dla działania takiego leku jest jego "kształt", podczas gdy sekwencja - niekoniecznie), by było prawidłowo zmodyfikowane (glikozylowane, acetylowane itd.) oraz by proces oczyszczania nie prowadził do jego zniszczenia. Do produkcji leków białkowych najczęściej wykorzystuje się zmodyfikowane genetycznie bakterie E. coli, drożdże oraz hodowle komórek ssaków - zwykle komórki CHO (Chinese hamster ovary). Leki te dokonały lub dokonują rewolucji w leczeniu wielu chorób
5. Typy bioreaktorów do hodowli komórek:
Bioreaktory np. do hodowli komórek -zbiornk, basen, przestrzeń której zachodzą szybkie procesy mieszania (działają na zasadzie np. pompy, strzykawki). Procesami zachodzącymi mogą być: przetworzenie (używa się całych komórek), biokonwersja ( używa się wyizolowanych enzymów).W bioreaktorach można zmieniać warunki środowiskowe. Bioreaktor stanowi przestrzeń w której zabezpieczone są procesy mieszania, odprowadzany może być tlen, pracuje w sposób ciągły ( stale dodaje się substrat i otrzymuje się produkt) Są to urządzenia skonstruowane w sposób umożliwiający kontrolę procesu produkcyjnego jego optymalny przebieg (pomiar i regulację parametrów) w warunkach maksymalnego ograniczenia lub całkowitego wyeliminowania możliwości zakażeń.
Typy bioreaktorów do hodowli komórkowej w zależności od
Sposób prowadzenia procesu:* bioreaktory do procesów okresowych *bioreaktory do procesów ciągłych *bioreaktory z zawracaniem lub zatrzymaniem biogazy;
Rodzaj biokatalizatora:*bioreaktory do klasycznych procesów mikrobiologicznych;* bioreaktory do hodowli komórek organizmów wyższych w zawiesinie;* bioreaktory do hodowli komórek organizmów wyższych na nośniku;* bioreaktory do procesów enzymatycznych w roztworze;* bioreaktory do procesów z użyciem biokatalizatorów unieruchomionych;Warunki hodowli drobnoustrojów, komórek:*bioreaktory do hodowli na powierzchni podłoża;* bioreaktory z nośnikiem stałym;* bioreaktory do hodowli wgłębnej
Warunki tlenowe:
*bioreaktory do warunków tlenowych;*bioreaktory do warunków beztlenowych;Warunki i sposoby mieszania: *bioreaktory bez wymuszonego mieszania; *bioreaktory z wymuszonym mieszaniem; Sposób doprowadzenia energii na mieszanie:*mieszadłem mechanicznym przez fazę ciekłą;* pompą przez fazę ciekłą;* poprzez fazę gazową (sprężonym powietrzem);
* sposoby łączone;
Przykłady bioreaktorów: *pęcherzykowate, *bioreaktory chemostatu ze stałym zasilaniem;
*bioreaktory działające w płynie perfuzyjnym,* bioreaktory ceramiczne, *bioreaktory z urządzeniem do mikrofiltracji; *bioreaktory z wirującą klatką;*bioreaktory kapilarne;
6.Grupy podstawowych składników mediów hodowlanych ( przykłady): Rola mediów: dostarcznie komórkom składników odżywczych do przeżycia, wzrostu i różnicowania. Typy mediów:* naturalne ( *limfa,* hemolimfa, *osocze krwi,*surowica;)
*sztuczne (DMEM, RPMI); Skład mediów: *Aminokwasy (w formie L);*glukoza(podstawowy składnik mediów); witaminy (odpowiedni wzrost); czerwień fenolowa ( w zależności od ph zmienia kolor);*surowica( 10% skład medium); składniki podstawowych płynów hodowlanych dla komórek ssaków:
*podstawowe jony i pierwiastki śladowe ( Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, H2PO4-,
HPO4-, HCO3-, SO4-, NO3-, Cu, Zn, Fe),;*bufory (węglanowy i fosforanowy);*aminokwasy egzogenne;* aminokwasy endogenne; *puryny; *pirymidyny;*lipidy; * „czynnki” dodawane do chemicznie określonych płynów hodowlanch ( hormony, czynniki wzrostu, interleukiny, cytokiny, białka transportowe, białka wiążące, czynniki przylegania, białka podłoża);
7. Wysokowydajny bioreaktor laboratoryjny: urządzenie dla badań inżynierii fizjologicznej. Celem bioreaktora jest ustalenie wydajności procesu produkcyjnego, który mógłby być realizowany w różnych warunkach przemysłowych; dzięki kontroli warunków środowiskowych nie tworzą się przestrzenie o różnej dynamice procesu ( rola głowna bioreaktora to zapewnienie odpowiedniego efektywnego czasu mieszania a przez to szybki transfer masy po miedzy fazą płynną a fazą gazową);
Np.10l bioreaktor wysokowydajny- właściwości: *reguluje temperaturę w zakresie od 0 do 150C (0,1C); *prędkość mieszania do 1000 krotnego na min.; *ciśnieie może być regulowane w zakresie od 0-2B (20 milibarów); *ocena masy ośrodka (masa w bioreaktorze 0-30kg (0,2kg));* strumień płynu zasiljącego 0-20 kg (0,1g); *szybkość rozcieńczania -20ml/min;
*dopływ gazu,* parametry metaboliczne ( elektrody ph z błona półprzepuszczalną, ciśnienie parcjalne O2(0-400mB i CO2-0-100mB),* wysokość dwukrotnie większa od średnicy;*mieszanie-turbiny.
Optymalizacja w bioreaktorach wysokowydajnych polega na : *tlen wprowadza się przez rury silikonowe; *optymalizacja stężenie tlenu- odpowiednia ilość rozpuszczonego O2;* mierzenie stężenia tlenu;* optymalizacja dostawy tlenu;* kontrola ph; * minimalizacja uwalniania CO2; * dostawa płynu odżywczego nasyconego tlenem;
8. Typy instrumentów pomiarowych dla bioprocesów: *czynniki monitorujące gęstość optyczną ; * czynniki paramagnetyczne;* biosensory (bioczujniki); *anemometr laserowy do mierzenia prędkości przepływu * wiskozymetr Haake RT 10 do badań właściwości reologicznych cieczy* mostek tensometryczny Hottingera do pomiarów
momentu skręcającego *siedem instalacji badawczych z mieszalnikami o objętości roboczej od 20 do 400 dm3*instalacje badawcze z mieszalnikami wibracyjnymi i wahadłowymi *
instalacje adsorpcyjne do badań cyklicznych procesów TSA, ETSA VTSA i PSA* instalacje badawcze do wyznaczania jedno- i wieloskładnikowych równowag adsorpcji stanowiska suszenia próżniowego i mikrofalowego* olfaktometr - miernik odorów;
9. Procesy oczyszcznia i uzyskiwania bioproduktów: obejmują:*filtracja(oddzielania substancji stałych od cieczy i gazów, poprzez mechaniczne zatrzymanie jednego ciała stałego w przegrodach porowatych (filtrach) przy użyciu odpowiednich aparatów),* wirowanie (w rotorze wirówki wytwarzana jest siła kilkaset tysięcy razy przewyższająca ziemską grawitację. Następuje opadanie cząstek i ustawianie się ich w równowadze do gradientu stężeń. W procesie wirowania następuje migracja cząsteczek w gradiencie, gdy ich molekularna gęstość jest zrównoważona gęstością separującego roztworu dana grupa molekuł zajmuje zwarte określone miejsce.), *precypitacja(wytrącanie osadu)*metody membranowe(w oparciu o strukturę membrany, z czym łączy się rodzaj siły napędowej procesu), * metody chromatograficzne(W każdej technice chromatograficznej najpierw rozdziela się badaną mieszaninę, a następnie przeprowadza się detekcję poszczególnych składników, * ekstrakcje(operacja służącą do rozdzielenia mieszanin ciał stałych i ciekłych. Rozdział następuje przez rozpuszczenie niektórych składników mieszaniny w cieczach, zwanych rozpuszczalnikami. Proces ekstrakcji może zachodzić zatem w układach dwufazowych: ciało stałe - ciecz lub ciecz - ciecz.) , *destylację(rozdzielanie ciekłej mieszaniny związków chemicznych przez odparowanie, a następnie skroplenie jej składników.);
*rektyfikacje(mieszanina ciekła jest rozdzielana na frakcje o różnej (zwykle zbliżonej) lotności.);* suszenie materiałów biologicznych (zredukowanie zawartości wody w produkcie przez jej wyparowanie lub odwirowanie ); *aparaty dializacyjne(metoda oczyszczania roztworów koloidalnych z elektrolitów przy użyciu błony półprzepuszczalnej.* Poddawanie działaniu wysokiego ciśnienia*Ucieranie (młyn kulowe);*Mikrofluidyzacja; Szok osmotyczny*Szok termiczny*Traktowanie rozpuszczalnikami organicznymi lub surfaktantami*Zastosowanie enzymów litycznych
10. Model wejścia/wyjścia dla bioprocesów. Omów podstawowe zmienne:
Podstawowe zmienne w modelach wejścia dla bioprocesów: *masa,* pH, *ciśnienie, *temperatura, *sygnały elektryczne; w modelach wyjścia zmienne:* standardowe wyjścia do kontroli zewnętrznych elementów takich jak zawory, silniki itp.
11. Modele sterowania bioprocesem: bioproces może być sterowany komputerowo przez zintegrowanie bioreaktora z komputerami w których z a pomocą programów można sterować całym procesem na zasadzie algorytmów przeprowadzanych w programie; *sterowania automatycznego bioprocesem (dozowanie pożywki, kontrola pH, stężenie tlenu i zbijanie piany); * sterowanie metabolizmem drobnoustrojów w specjalnych urządzeniach.
12. Procesy prawne i bezpieczeństwo bioprocesów:* Higiena produkcj:ogólne wymagania sanitarno-higieniczne dotyczące bioprocesów(lokalizacja, otoczenie, pomieszczenia, krzyżowanie linii produkcyjnej, środki transportu, urządzenia sanitarne. Czynniki środowiskowe warunkujące jakość produktu finalnego: woda, ścieki, gleba, powietrze, odpady.* bezpieczeństwo zachodzenia bioprocesu (unikanie awarii bioreaktorów)…….